Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
взаимодействие с ионами и атомами кристаллической решетки, вследствие
чего часть энергии электромагнитной волны превращается в тепло. Если
световой поток обладает высокой плотностью, которая распределяется на
незначительную площадь поверхности металла, то тепло, выделяющееся в
данном месте под действием светового луча, достаточно для расплавления и
испарения металла в зоне взаимодействия.
Основные положения явления взаимодействия электромагнитных волн с
твердыми материалами определяются из уравнений Максвелла, которые
связывают основные оптические константы металлов с электромагнитной
природой света {18, 19].
Уравнение поля в материалах имеет вид
- е дЕ 4л _ и, дН
гоШ = 7^+7о?; (tm)'E = -Cjr (ШЛ1>
div// = 0; divf = 0,
где Н, Е - векторы напряженности соответственно электромагнитного (в А/м)
и электрического (в В/м) поля в вакууме; е-диэлектрическая проницаемость;
с - скорость света, м/с; о - удельная электропроводность вещества, см/м;
ц- магнитная проницаемость.
Из уравнения III.11 после несложного преобразования можно получить закон
изменения амплитуды световой волны, распространяющейся в материале. Этот
закон носит экспоненциальный характер и выражается зависимостью
159
Здесь /- плотность электрических зарядов; а - коэффициент,
характеризующий изменение плотности за время t.
Также из уравнения 111.11 может быть определена глубина слоя, в котором
происходит полное поглощение электромагнитного излучения:
Яо - длина волны в свободном пространстве, мкм; ро - абсолютная магнитная
проницаемость в свободном пространстве, равная 2,6-10-7 Гн/м; с -
удельная теплоемкость, кал/(г-град); е - диэлектрическая постоянная,
равная 8,85-1012 Ф/м; и - круговая частота, рад/с.
Величины, от которых зависит глубина проникновения световой волны в
материал, обусловливаются коэффициентом преломления и поглощения. В
соответствии с электромагнитной теорией Максвелла для металлов
коэффициент преломления выражается комплексной величиной и может быть
определен из зависимости
где п и k - коэффициенты преломления и поглощения в вакууме; п" - общий
коэффициент преломления.
Из уравнения III.14 видно, что для оптики металлов справедливы
соотношения оптики прозрачных сред, а именно б - п2.
Коэффициент поглощения электромагнитных волн средой может быть определен
как
Здесь WCD= характеризует уменьшение средней
^ А-п-
(111.13)
6"=(n-jky=(n")2,
(III.14)
энергии слоями материала вследствие поглощения.
Подставляя III.15 в III.13, после некоторых преобразований получаем
4тса
(111.16)
Величина пробега световой волны в металлах свя-
Расчет показывает, что в реальных условиях металлы оказываются
непрозрачными для лучей видимого света.
Теория взаимодействия света с материалами позволяет количественно оценить
процесс взаимодействия высокоплотных излучений ОКГ с твердыми телами. В
общем случае, как было показано, этот процесс происходит на поверхности
обрабатываемой детали. Затухание световой волны осуществляется в
поверхностном слое материала на глубине, измеряемой ангстремами. При этом
данное явление сопровождается выделением огромного количества энергии за
короткий промежуток времени.
Если принять, что на поверхность обрабатываемой заготовки, изготовленной
из материала, обладающего постоянными теплофизическими параметрами,
сфокусирован световой луч с постоянной плотностью световой энергии и
длиной волны, то согласно электромагнитной теории распространения света
суммарная энергия излучения квантового генератора на поверхности
материала будет определяться по формуле
где WR, W", Wr - энергия, отраженная от поверхности материала,
поглощенная им и проходящая через материал соответственно.
Слой материала для светового потока можно принять практически
бесконечным, и поэтому составляющая Wr=0. Составляющая WB при обычных
условиях, когда поверхность материала шероховата или когда на нее
нанесены специальные светопоглощающие покрытия, также будет невелика,
поэтому для плотных потоков излучения можно принять W=Wn-
Если принять размер фокусного пятна 1-10 мкм, то становится ясным, что в
начальный момент на огра-
зана с -ц обратной зависимостью, т. е. ц = -, откуда
(111.17)
w=w*+wn+wr,
(III.18)
Н. В. Могорян
161
ниченной поверхности площадью яР2 (где R - радиус светового потока)
образуется плоская зона со временем жизни порядка 1-2 мс и значительной
плотностью мощности (107-1014 Вт/см2), под воздействием которой
практически мгновенно начинается процесс испарения материала.
По вопросу механизма развития данного процесса существуют две точки
зрения. Одни исследователи полагают, что тепловой эффект, возникающий на
поверхности детали вследствие торможения фотонов в верхнем тонком слое
материала, вызывается наружным источником тепла, интенсивность которого
постепенно распространяется в глубь материала в зависимости от
длительности процесса облучения. Другие считают, что в толще материала
возникает объемный источник тепла, приводящий в дальнейшем к взрыву и
