6. Bố cục của luận án
2.1.3 Sự tương tác giữa laser với vật liệu
Ánh sáng là một dạng của năng lượng điện từ. Năng lượng điện từ mà vật chất hấp thụ được tiêu hao dưới dạng nhiệt. Khi năng lượng bức xạ chiếu vào bề mặt vật liệu cho kết quả là một phần năng lượng bức xạ được phản xạ, một phần được vật liệu hấp thụ (hình 2.2) [2]. Khi đi vào một môi trường mới nó sẽ được hấp thụ theo luật Beer Lambert I I0ez, với I0 là cường độ tia tới, - hệ số hấp thụ phụ thuộc vào môi trường, sóng bức xạ và cường độ bức xạ.
Hình 2.2 Va chạm của tia tới bề mặt vật chất [2]
Cách hấp thụ bức xạ của vật liệu có thể miêu tả như sau:
Bức xạ điện từ có thể biểu diễn như một trường véc tơ điện và một trường vectơ từ thể hiện ở hình 2.3. Khi đi qua điện tử nằm trên biên đàn hồi, nó đặt hạt này vào trạng thái dao động do chịu tác dụng của lực điện E từ trường điện. Nếu tần số của bức xạ không tương ứng với tần số tự nhiên cộng hưởng của hạt, sẽ không xuất hiện sự phát huỳnh quang hoặc hấp thụ, nhưng lại có thể khởi tạo một dao động cưỡng bức. Lực cảm bởi trường điện, E rất nhỏ, không thể làm hạt nhân của nguyên tử dao động. Đây là trường hợp bức xạ tương tác với điện tử tự do hoặc ở trên lớp biên.
27
Quá trình hạt photon bị các điện tử hấp thụ này được biết đến như là “hiệu ứng tia hãm nghịch đảo” (tức sự phát ra hạt photon từ các điện tử bị kích hoạt). Khi các điện tử dao động sẽ phát xạ lại ra mọi hướng hoặc bị ngăn giữ bởi các photon trong mạng tinh thể (lattice) (năng lượng liên kết trong một cấu trúc rắn hoặc lỏng). Trong trường hợp bị ngăn giữ, các photon sẽ làm cho cấu trúc dao động và dao động này sẽ được truyền qua cấu trúc bởi các quá trình khếch tán thẳng góc nhờ sự liên kết phân tử của cấu trúc. Các dao động này trong cấu trúc được tìm thấy dưới dạng nhiệt (hình 2.4). Dòng nhiệt được miêu tả bởi định luật Fourier về dẫn nhiệt - phương trình luồng nhiệt:
𝑞 = −𝑘𝑑𝑇
𝑑𝑥 (2.1)
Trong đó: q dòng nhiệt/diện tích đơn vị; K hệ số dẫn nhiệt;
T nhiệt độ;
X phương truyền.
Nếu hấp thụ năng lượng đủ, dao động trở nên mạnh, biên phân tử sẽ bị kéo căng đến mức không có khả năng giữ bền cơ tính, ta nói vật liệu đã bị nóng chảy (hình 2.4). Gia nhiệt tiếp, sự liên kết trở nên lỏng hơn do các dao động phân tử mạnh, ta nói vật liệu bốc hơi. Hơi khí vật liệu khi đó còn có thể hấp thụ bức xạ nhưng chỉ lượng nhẹ do chỉ có các điện tử nảy biên. Trừ khi, nếu khí đủ nóng, các điện tử lay động tự do, khi đó khí được gọi là plasma.
28
Do mật độ năng lượng laser cao (> 104 W/cm2), tốc độ nung nóng và tự làm mát cực nhanh (103 106 0C/s) diễn ra trên bề mặt nên quá trình tương tác giữa laser – chi tiết được xem là một quá trình nhiệt - vật lí phức tạp trong đó bao gồm các vấn đề về nhiệt, chuyên đổi pha và ứng suất - biến dạng liên quan tới laser, vật liệu, nhiệt - vật lí, khí động học và một số lĩnh vực khoa học khác.
Khi chùm tia laser đập vào vật liệu gia công, ở đó sẽ xảy ra các giai đoạn theo trình tự sau:
1) Vật liệu gia công nhận năng lượng của chùm tia laser, năng lượng này chuyển thành nhiệt lượng;
2) Nung nóng vật liệu gia công đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của nó;
3) Tiếp tục nung nóng vật liệu và làm chuyển pha: chảy lỏng, chảy, bốc hơi và thoát ra khỏi bề mặt gia công;
4) Sau đó vật liệu nguội nhanh.
Quá trình (1) và (4) xảy ra trong thời gian rất ngắn, không làm ảnh hưởng đến năng suất gia công nhưng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công. Tùy theo mục đích gia công mà quá trình tương tác trên tồn tại cả 4 giai đoạn hoặc không có giai đoạn (3). Năng suất, chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công chủ yếu phụ thuộc vào giai đoạn (2) và (3).