Двумерная ДВУХФАЗНАЯ (ДД) МОДЕЛЬ лазерной обработки

Одномерная модель не может применяться для описания кинетики формирования лунки с того момента, когда ее глубина h становится сопоставимой с размером светового пятна r₀, т.к более нельзя пренебрегать процессами, приводящими к росту ее диаметра.

Увеличение глубины h может быть описано, как прежде, моделью испарения, но определение диаметра отверстия d более сложно из–за взаимодействия многих факторов, влияющих на нагревание и разрушение стенок.

Прежде всего надо учитывать появление жидкой фазы из–за плавления материала между изотермами испарения поверхности T_и и плавления T_пл (под поверхностью).

Другие важные факторы, которые влияют на процесс формирования отверстия:

–конденсация пара,

–прямое поглощение света стенками из–за расфокусировки луча,

–рассеяние света паром,

–радиационный и конвективный теплообмен между струей пара и стенками,

–теплопроводность.

К этим явлениям следует добавить:

–реактивное давление отдачи паров, которое должно удалять расплавленный материал из отверстия,

–эффекты экранирования лазерного излучения продуктами испарения–плазмой.

Схематическая диаграмма двумерного микроформообразования,(а) и диаграмма временного изменения глубины отверстия h и диаметра d=2r ,(б ) при условии совпадения фокальной плоскости линзы с поверхностью. (γ— половина угла светового конуса, , D₀ — диаметр источника излучения, l —расстояние между лазером и передним фокусом линзы с фокусным расстоянием F , r₀ — начальный радиус отверстия (равен радиусу светового пятна), α — угол расходимости пучка).

Рисунок 9 - Схематическая диаграмма двумерного микроформообразования,(а) и диаграмма временного изменения глубины отверстия h и диаметра d=2r ,(б )

Давление отдачи при испарении. Уравнение клаузиуса–клапейрона

Рисунок 10 - Схема жидкости в равновесии с собственным паром

(1.16)

Схема «лазерного» расплава и пара.

Связь давления насыщенного пара с температурой

дается формулой Клаузиуса–Клапейрона:

(1.17)

Задание по лабораторной работе

1. Рассчитать пороги испарения для импульсного воздействия (Вт/м²) и для непрерывного. Данные для расчёта представлены в таблице 1

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

2. Рассчитать скорость проникновения фронта испарения V₀ вглубь материала и температуру поверхности T₀ и глубину отверстия h.

Таблица 4

3. Какие предположения и допущения были использованы в формулах, по которым рассчитывали?

Вопросы для контроля

1. Характерные глубины проникновения света для металлов?

2. Какие основные процессы возникают на поверхности металлов при лазерной резке?

3. Какие основные процессы возникают на поверхности металлов при лазерной закалке?

4. От чего зависит температура поверхности T при лазерной резке?

5. Поясните, почему на "графике качественные характеристики одномерной модели микроформообразования" hэксп отличается от hтеор?

6. Особенности одномерной модели.

7. Почему при уменьшение длительности импульса при пробитии отверстий лазерная лунка становится чище?

8. Если металл обладает большим отражением на данной длине волны, то, как в нём делать отверстия лазером?

9. После пробивки отверстия расплавленный металл затекает обратно в отверстие. Как этого можно избежать?

10. Что мешает формировать сверх глубокие отверстия, что экранирует излучение?

11. Почему в формуле расчёта плотности игнорируются процессы плавления и испарения