физические основы лазерной обработки материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» В.Ф. Лосев, Е.Ю. Морозова, В.П. Ципилев ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200200 «Оптотехника» Издательство Томского политехнического университета 2011 УДК 621.7.048.7:621.378.826(075.8) ББК 34.58я73 Л79 Лосев В.Ф. Л79 Физические основы лазерной обработки материалов: учебное пособие / В.Ф. Лосев, Е.Ю. Морозова, В.П. Ципилев; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 199 с. ISBN 978-5-4387-0052-4 В пособии изложены физические основы лазерных технологических операций, связанных с обработкой материалов (сварка, резка, термоупрочнение, и др.), в том числе биотканей (коагуляция, резание, силовая и низкоэнергетичная терапия). Анализируются физические процессы, протекающие в материалах, принципы моделирования нагрева вещества лазерным излучением, режимы лазерной обработки материалов на технологических установках, приводятся примеры применения лазеров в медицине и соответствующая лазерная медицинская техника. Предназначено для студентов направления 200400 «Оптотехника». УДК 621.7.048.7:621.378.826(075.8) ББК 34.58я73 Рецензенты Доктор технических наук профессор СПб НИУ ИТМО Л.А. Губанова Доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник ИСЭ СО РАН В.М. Орловский ISBN 978-5-4387-0052-4 © ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2011 © Лосев В.Ф., Морозова Е.Ю., Ципилев В.П., 2011 © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2011 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 7 РАЗДЕЛ 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ, СПЛАВОВ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ........................................... 8 1.1. Тепловая модель взаимодействия лазерного излучения с материалами ............................................................................................ 8 1.1.1. Процессы передачи энергии лазерного излучения веществу ...... 8 1.1.2. Приближенные оценки температуры нагрева ............................ 12 1.2. Феноменология нагрева и разрушения металлов при неподвижном источнике теплоты .................................................. 15 1.2.1. Диаграмма режимов лазерной обработки металлов и критические потоки ................................................................... 15 1.2.2. Уравнения теплового баланса для неподвижного источника ...... 19 1.2.3. Простейшая модель нагрева металлов при низких и высоких плотностях потоков лазерного излучения ............... 20 1.3. Модель нагрева и разрушения металлов при движущемся источнике теплоты .................................................... 23 1.3.1. Характерные зоны разогрева материала и распределение энергии .........................