Режим глубокого проплавления характеризуется появлением полого канала, по которому излучение лазера проникает вглубь, что придает зоне плавления глубокую и узкую форму. Такой режим активно применяется в лазерной сварке и аддитивной формовке деталей из металлических порошков методом селективного лазерного плавления.

Реализации преимуществ режима препятствует нежелательная пористость. Необходимо определить механизм образования этой пористости. Исследования учёных Института проблем лазерных и информационных технологий РАН – филиала ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН показали, что в технологическом диапазоне плотности мощности формирование канала проплавления определяется не абляционным механизмом вытеснения расплава давлением паров, как принято в технологическом инжиниринге, а его термокапиллярным удалением из зоны облучения. Поэтому целесообразно исследовать механизм генерации пор капиллярными волнами (без участия испарения) и экспериментально уточнить основную моду капиллярных волн в канале проплавления.

Для облегчения визуального наблюдения границы плавления и гидродинамических процессов использовано свойство парафина приобретать оптическую прозрачность в расплавленном состоянии, облегчающее визуальное наблюдение границы плавления и гидродинамических процессов. Ранее было установлено, что эволюция канала проплавления при точечном воздействии непрерывного лазерного излучения протекает в три основные стадии (1-я стадия — рост канала, 2-я стадия — возбуждение волновых колебаний в канале, 3-я стадия — затекание и исчезновение канала, несмотря на все еще действующее излучение).

Проведена видеорегистрация 2-й стадии эволюции канала с возбуждением капиллярных волн на стенках канала при глубоком проплавлении парафина лазерным излучением (рис. 1, а). Продемонстрирован захват газовых пузырьков в процессе низкочастотных капиллярных волн и чередующихся коллапсов в канале проплавления. Анализ изображений на рис. 1, b позволяет сделать вывод о возбуждении капиллярной волны, длина которой λ пропорциональна глубине канала L как λ=4L/3.

Касание вершин волн с противоположных стенок канала приводят к коллапсам канала с захватом пузырька (рис. 2). Выполнены оценки толщины расплавленного слоя на основе дисперсионного соотношения для капиллярных волн «на мелкой воде», которые соответствуют экспериментальным данным на парафине, а также литературным данным на металлах. В реальных технологиях на металлах захват пузырька предшествует образованию поры после снятия лазерного воздействия и быстрой кристаллизации.

Источник: ФИЦ «Кристаллография и фотоника».