Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе

Оптические процессы в металлах

Качественная схема механизмов и последовательности процессов поглощения света и перехода поглощенной энергии в тепло может быть представлена следующим образом. Известно, что часть энергии ЛИ, падающего на поверхность материала, поглощается в нем, а часть отражается. Поглощенная энергия вызывает нагрев поверхности, который зависит от длительности воздействия и плотности мощности ЛИ, причем, например, потери тепла в результате теплопроводности малы, если лазерные импульсы очень короткие, но эти потери могут стать существенными для импульсов с большой длительностью. При этом может наблюдаться ряд важных эффектов, связанных с поглощением излучения в плазме, которая возникает в материале, испарившемся с поверхности образца, а потери, связанные с переизлучением с поверхности образца, обычно несущественны [2, 9].

Нагрев может протекать с высокой скоростью, при этом поверхность быстро прогревается до температуры плавления, что представляет интерес для сварки. Иногда желательно расплавить максимальное количество материала без испарения поверхности, при этом плавление в отсутствие испарения происходит в довольно узком интервале параметров импульса ЛИ. Если плотность мощности ЛИ слишком велика, то испарение поверхности начинается до того, как материал успевает проплавиться на заметную глубину. Из этого следует, что существует максимальный предел плотности мощности ЛИ, при которой желательно проводить плавление. Соответственно при заданной энергии импульса ЛИ часто оказывается желательным увеличить длительность импульса. Процесс плавления зависит от теплового потока в этом материале, величина которого определяется теплопроводностью материала k.

Однако тепловой поток определяется не только теплопроводностью, поскольку изменение температуры зависит также от удельной теплоемкости материала с. Скорость нагрева обратно пропорциональна удельной теплоемкости, рассчитанной на единицу объема материала, которая равна с, где плотность материала. Основной фактор, определяющий тепловой поток, равен k/c.

Размерность этого фактора (см²/с) такая же, как размерность коэффициента диффузии. Следовательно, фактор k/c характеризует процесс «диффузии» температуры (или, строго говоря, тепла) и называется коэффициентом температуропроводности k* [13].

В решения всех задач нестационарного распространения тепла входит величина k/c, которая определяет, с какой скоростью происходит в материале поглощение и передача тепловой энергии. (При сварке высокая температуропроводность обычно обеспечивает большую глубину проникновения фронта плавления в отсутствие теплового удара или растрескивания материала).

Обычно температуропроводность сплавов ниже, чем температуропроводность чистого металла, который является основной компонентой сплава. Особенно низкие температуропроводности имеют нержавеющая сталь и некоторые никелевые сплавы. Низкие значения k* ограничивают глубину проникновения тепла и могут сузить сферу применения лазерной сварки.

Глубина, на которую тепло проникает в течение времени t, приближенно определяется следующим соотношением:

d = (4k*· t)^½, (2.1).

где d глубина проникновения тепла. Рассмотрим конкретный пример. В металле с k* = 0,25 см²/с, в течение импульса длительностью 90 нc (типичное значение для лазера с модуляцией добротности) тепловой поток может проникнуть лишь на глубину ~310⁴ см.