Физические основы воздействия потока фотонов на обрабатываемую поверхность

Лазерная обработка материалов основана на возможности лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала.
При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов лазерное излучение частично отражается от неё, а остальной поток излучения проникает на незначительную глубину. Энергия от фотонов лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в приповерхностном слое толщиной (5-50)103 мкм. Т.е. обработка идет чисто поверхностная. Вследствие этого резко повышается электронная температура Те, тогда как температура кристаллической решётки Тi остаётся незначительной. А дальше тепло распространяется за счет теплопередачи. Таким образом, если вся энергия фотонов накапливается в поверхностном слое во время действия импульса, а дальше идет распространение за счет теплопередачи, то скорость теплопередачи значительно меньше скорости воздействия импульса. При подаче на поверхность следующих импульсов идет накопление тепла в поверхностном слое, а в дальнейшем его расплавление.

При уровнях Е @10⁸...10⁹ Вт/м² происходит активный локальный разогрев материала, при котором не наблюдается заметного испарения или разрушения материала. Такие источники нагрева используются для термообработки, наплавки, легирования и сварки металлов небольшой толщины 0,5...1,0 мм.

Интенсивность отражения лазерного излучения при воздействии на поверхность твёрдого тела определяется коэффициентном отражения, зависящим от материала и длины волны излучения. Процент отражения достаточно велик и находится в пределах 40%-98%. На полированной поверхности он составляет 98%. Наиболее высоким коэффициентом отражения характеризуется воздействие излучения технологически перспективных СО₂ - лазеров. Высокий уровень отражения создает на первый взгляд бесперспективную ситуацию с возможностью использования СО₂-излучения для обработки металлов. Однако решающим обстоятельством является увеличение поглощательной способности с ростом температуры обрабатываемой поверхности.
Также решающим фактором, определяющим эффективность лазерного воздествия на металлы, является состояние поверхности. С ростом оксидной плёнки на поверхности металла коэффициент поглощения СО₂ -излучения возрастает в несколько раз. На практике же не всегда оправдана технологическая операция увеличения шероховатости поверхности с целью повышения эффективности лазерной обработки. При поверхностной обработке более целесообразно нанесение покрытий (сажей) для увеличения эффективности поглощения лазерного излучения, в особенности при обработке гладких шлифованных поверхностей. Но в этом случае атомы углерода проникают в поверхностный слой и меняют его структуру. Но нельзя делать поверхность и с грубой шероховатостью, т.к. част энергии в этом случае будет пропадать. Поэтому под лазерную обработку берут поверхности с шероховатостью 1-5мкм.

Таким образом, шероховатость поверхности не должна быть низкой и второе, луч должен падать перпендикулярно поверхности. В противном случае он отразится и уйдет в воздух.