Теплофизика лазерного нагревания

Теоретические основы

Поглощение света и преобразование энергии света в тепло. Физическая модель лазерной обработки

Большинство лазерных технологий основаны на тепловом действии излучения. Остановимся на нем подробнее.

Поглощениелазерного излучения по закону (1.1) при глубине проникновения света см для металлов

Рисунок 1 – Взаимодействия света с металлами

Нагревматериала до точки плавления T_пл

Плавлениепосле поглощения удельной теплоты плавления L_пл

Рисунок 2 – Плавление металла под действием света

Дальнейший нагрев до точки испарения (кипения)

Испарениепосле поглощения удельной теплоты парообразования L_исп

Рисунок 3 – Испарение металла под действием света

Движение испаряемой поверхности вглубь материала со скоростью V₀

Образование плазмы

Пары металла также могут взаимодействовать со светом, который осуществляет их разогрев, возбуждение молекул, образование ионов и плазмы

Рисунок 4 - Образование плазмы

Физические процессы, возникающие на поверхности твердых тел при лазерном нагреве

Эмиссионные процессы:

–десорбция газа,

–термоэлектронная эмиссия,

–термоионная эмиссия,

–эмиссия нейтральных атомов,

–тепловое излучение (пироэлектрические измерения).

Структурные процессы:

–рекристаллизация,

–структурные изменения в Fe–C сплавах (закалка сталей),

–размягчение стекла и, соответственно, структурные изменения,

–аморфизация и кристаллизация стеклокерамик,

–аморфизация тонких металлических пленок,

–взаимная диффузия нагретых слоев (микрометаллургия),

–отжиг дефектов (в полупроводниках).

Поверхностные химические реакции:

–локальное окисление металлов и полупроводников,

–восстановление окислов,

–термическое разложение металлоорганических соединений

–полимеризация (деструкция) полимеров.

Термомеханические эффекты:

–тепловое расширение (включая импульсное),

–появление термонапряжений,

–генерация ударных волн в твердом теле и в воздухе,

–генерация ультразвука (дефектоскопия),

–оптический пробой в прозрачных диэлектриках

Физические переходы:

–плавление,

–испарение,

–воспламенение и горение,

–детонация активных и взрыв пассивных сред.

Теплофизика лазерного нагревания

Температура поверхности T зависит от мощности P, поглощенной единицей площади S: (1.2), где q так называемая плотность мощности, (1.3) (W — энергия в импульсе, τ — длительность воздействия).

Соотношение между T и плотностью мощности q может быть определено из уравнений теплопроводности типа:

(1.4)

где Δ — оператор Лапласса , Q — объемная плотность поглощенного светового потока, a - температуропроводность, ρ — плотность, c — теплоемкость.

Чтобы решить уравнение (1.4) необходимо задать одно начальное условие, 6 граничных и определить Q(x, y, z, t).

(1.5),

После решения системы этих уравнений связь между T и q выражается в виде:

Так, например, для металлов решение уравнения (1.4) при условиях (1.5) для круглого источника тепла — лазерного пятна с радиусом r₀ и тепловодности k, будет:

(1.6)

при (импульсный нагрев)

(1.7)

При (непрерывный нагрев)

(1.8)

Формулы (1.7) и (1.8) позволяют посчитать так называемую пороговую (критическую) плотность мощности q_пор, необходимую для нагревания поверхности до заданной температуры T:

(1.9)

(1.10)