Физические явления при взаимодействии лазерного ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Плазменные процессы при лазерной обработке. Для достижения высоких производительности и качества в технологических процессах лазерной обработки, к которым относятся лазерная резка, наплавка, термообработка и некоторые другие, необходимо использовать лазерные установки сравнительно большой мощности и с высокой плотностью мощности излучения, характерной для высокой концентрации энергии на обрабатываемом участке. На сегодня лазерное излучение представляет собой наиболее концентрированный источник энергии, превосходящий в этом плане возможности электроннолучевой обработки. Тем не менее, при одинаковой мощности излучения лазерная обработка обеспечивает меньшую глубину проплавления, чем электроннолучевая, что является определенным недостатком. В первую очередь это связано с различным характером взаимодействия потоков электронов (при электроннолучевой обработке) и потоков фотонов (при лазерной обработке) с металлической поверхностью. Кроме того, электроннолучевая обработка требует вакуума, а лазерная обработка может осуществляться в любой газовой среде при атмосферном давлении. Состав газовой среды подбирается для соответствующей операции и обрабатываемого металла таким образом, чтобы обеспечить защиту поверхности металла, нагреваемого в процессе обработки до высоких температур.

Однако, при высоких значениях плотности мощности лазерного излучения в защитных газах или в воздухе в результате возникает низкотемпературная плазма, то есть высокоионизованная область газа, в которой имеются свободные заряды в виде ионов, электронов и других заряженных частиц, способных перемещаться под воздействием поля. Если степень ионизации газа достаточно высока, то такой газ приобретает свойства плазмы. Возникновение плазмы при лазерном облучении ведет к поглощению и рассеянию излучения и, вследствие этого, к снижению мощности и степени сосредоточенности теплового источника на поверхности материала.

Существуют различные представления и теоретические подходы к описанию механизма образования плазменного факела. Они могут быть сведены к двум концепциям. Согласно первой концепции испарение вещества с облучаемой лазером поверхности ведет к последующему поглощению излучения в парах, что ведет к быстрому росту температуры и степени ионизации. По другой концепции плазма образуется в результате лавинной ионизации в прилегающих к обрабатываемой поверхности объемах газа. Но порог ионизации снижается в результате эмиссии электронов с облучаемого участка поверхности, прогрева газа ударной волной испаряющегося вещества и дополнительного подогрева объема газа при контакте с горячей поверхностью. Значительное влияние на плазмообразование оказывают также наличие окисленного слоя, дефектов структуры и микронеоднородностей на обрабатываемой поверхности, возможные химические реакции между парами и окружающим газом.

В любом случае при лазерной обработке, связанной с нагревом металла до плавления и последующего испарения, над поверхностью присутствуют пары металла, которые обладают низким потенциалом ионизации. В такой зоне ионизация вызывается быстрыми электронами, приобретающими энергию в результате поглощения фотонов. Электроны, обладающие достаточной энергией, при столкновении с металлом могут вызвать его ионизацию. При этом появляются уже два электрона, но с небольшой энергией каждый. Однако, процесс поглощения этими электронами фотонов, повышение их энергии и последующая ионизация уже двух атомов, повторяется. В результате происходит лавинная ионизация, то есть возникает плазменный факел.

В начальный период возникновения плазменного факела электроны рассеиваются и при столкновениях с нейтральными атомами пара и газа поглощают энергию. Вследствие малости поглощения излучения в оптическом и инфракрасном диапазоне для заметной диссипации этого излучения в пределах области ограниченных размеров требуется очень высокая степень ионизации, то есть высокие температуры (15 000 — 20 000"К).

Существует несколько причин образования плазменного факела, и разные исследователи по разному указывают на их относительную значимость.

Первая причина заключается в том, что плазменный пробой происходит благодаря термической ионизации паров металла, хотя испарение при этом может быть незначительным. Пороговое значение плотности мощности, обеспечивающей пробой, в основном, зависит от таких свойств обрабатываемой поверхности как теплопроводность, коэффициент поглощения, энергия испарения, потенциал ионизации атомов пара. Свойства окружающего газа и его давление мало влияют на величину пороговой мощности.

Другая причина заключается в значительном повышении напряженности электрического поля падающего потока у вершин микронеровностей поверхности. Малые участки микровыступов нагреваются до температуры кипения за чрезвычайно короткий промежуток времени, на несколько порядков быстрее, чем макроучастки в пятне нагрева лазерным лучом. На этих выступах поверхности образуются области полностью ионизованной плазмы, которые при высоких плотностях мощности являются источниками светодетонационных волн, которые распространяются за доли микросекунд на весь облучаемый участок.

При образовании плазменного факела имеет место развитие так называемой лазерной искры, и образование волны горения газа, то есть распространение оптического разряда. Волна распространяется в направлении от поверхности навстречу излучению, пока плотность потока остается достаточно высокой. Эффект возникновения волны сопровождается яркой вспышкой света и резким возрастанием шума.

Наблюдается самофокусировка лазерного луча в сильнопоглощающем плазменном факеле. Лазерное излучение создает в поперечном сечении плазмы распределение диэлектрической проницаемости с максимумом на оси луча. Так как световой поток всегда отклоняется в ту сторону, где диэлектрическая проницаемость увеличивается, то лазерный луч будет фокусироваться.