МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ПИКОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

10.25712/ASTU.1811-1416.2026.02.013

Аннотация

Построенная модель лазерной обработки металлов пикосекундными импульсами позволяет определить зависимость температуры и давления в облучаемом слое от энергии импульса, частоты света, диаметра луча и теплоемкости металла. Получена простая зависимость температуры и давления от этих параметров в адиабатном изохорическом процессе нагрева слоя, следующая из равенства действительной и мнимой частей показателя преломления для металлов. Расчетные зависимости производительности обработки и параметры абляции от параметров процесса согласуются с известными экспериментальными данными. Давление в слое пропорционально температуре и объемной теплоемкости с коэффициентом пропорциональности, равным коэффициенту Грюнайзена и составляет десятки ГПа при температуре порядка 10000 К. Такая зависимость следует из рассмотрения адиабатного изохорного процесса нагрева слоя, т.к. другие процессы (расширение, теплоотвод, испарение, абляция), кроме нагрева слоя, не успевают развиться за время пикосекундного импульса. Энергия импульса в основном расходуется на нагрев ионной решетки и увеличения упругой энергии за счет взаимодействия фононов с разогретыми электронами, т.к. время релаксации энергии электронов порядка 10^-14 с значительно меньше длительности импульса 10^-12 с, а теплоемкость электронного газа значительно меньше теплоемкости кристаллической решетки. Если температура нагрева (менее 9000 К) не превышает критическую температуру фазового перехода в газовую (флюидную) фазу, то за время порядка 10^-10 с после окончания импульса за счет внутреннего растягивающего давления, происходит отрыв твердых или жидких микрочастиц по механизму упругой пружины. Если температура превышает критическую, то разрушение слоя происходит выплеском струи частично ионизированного газа (плазмы) со степенью ионизации несколько процентов, наблюдаемую в виде свечения. Если обработка идет на воздухе, то свечение возможно за счет сгорания микрочастиц.  Производительность увеличивается при повышении энергии импульса, диаметра пучка и уменьшении теплоемкости и не зависит от длительности импульса. Медь обрабатывается быстрее, чем железо. Частота света слабо влияет на производительность в рассмотренных пределах.