Взаимодействието между лазер и материали включва много физически явления и характеристики. Следващите три статии ще представят трите ключови физични явления, свързани с процеса на лазерно заваряване, за да предоставят на колегите по-ясно разбиране напроцес на лазерно заваряване: разделен на скорост на лазерно поглъщане и промени в състоянието, плазма и ефект на ключалка. Този път ще актуализираме връзката между промените в състоянието на лазера и материалите и степента на абсорбция.
Промени в състоянието на материята, причинени от взаимодействието между лазер и материали
Лазерната обработка на метални материали се основава главно на термична обработка на фототермични ефекти. Когато лазерното облъчване се приложи върху повърхността на материала, ще настъпят различни промени в повърхността на материала при различна плътност на мощността. Тези промени включват повишаване на повърхностната температура, топене, изпаряване, образуване на ключалка и генериране на плазма. Освен това, промените във физическото състояние на повърхността на материала значително влияят върху абсорбцията на лазера от материала. С увеличаването на плътността на мощността и времето на действие, металният материал ще претърпи следните промени в състоянието:
Когато намощност на лазераплътността е ниска (<10 ^ 4w/cm ^ 2) и времето за облъчване е кратко, лазерната енергия, абсорбирана от метала, може само да доведе до повишаване на температурата на материала от повърхността навътре, но твърдата фаза остава непроменена . Използва се главно за отгряване на части и закаляване чрез фазова трансформация, като повечето инструменти, зъбни колела и лагери са;
С увеличаването на плътността на лазерната мощност (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) и удължаването на времето на облъчване повърхността на материала постепенно се стопява. Тъй като входящата енергия се увеличава, интерфейсът течност-твърдо вещество постепенно се придвижва към дълбоката част на материала. Този физически процес се използва главно за повърхностно претопяване, легиране, плакиране и заваряване на метали чрез топлопроводимост.
Чрез по-нататъшно увеличаване на плътността на мощността (>10 ^ 6w/cm ^ 2) и удължаване на времето за действие на лазера, повърхността на материала не само се топи, но и се изпарява, а изпарените вещества се събират близо до повърхността на материала и слабо йонизират, за да образуват плазма. Тази тънка плазма помага на материала да абсорбира лазера; Под натиска на изпаряване и разширяване повърхността на течността се деформира и образува ями. Този етап може да се използва за лазерно заваряване, обикновено при снаждане на топлопроводимост на микровръзки в рамките на 0,5 mm.
Чрез допълнително увеличаване на плътността на мощността (>10 ^ 7w/cm ^ 2) и удължаване на времето на облъчване, повърхността на материала претърпява силно изпаряване, образувайки плазма с висока степен на йонизация. Тази плътна плазма има екраниращ ефект върху лазера, като значително намалява енергийната плътност на падащия лазер в материала. В същото време, под силата на голяма реакция на пара, малки дупки, известни като ключови дупки, се образуват вътре в разтопения метал. Съществуването на ключови дупки е от полза за материала да абсорбира лазера и този етап може да се използва за лазерен дълбок синтез заваряване, рязане и пробиване, ударно закаляване и др.
При различни условия различните дължини на вълните на лазерно облъчване върху различни метални материали ще доведат до специфични стойности на плътност на мощността на всеки етап.
По отношение на абсорбцията на лазер от материали, изпаряването на материалите е граница. Когато материалът не претърпява изпарение, независимо дали е в твърда или течна фаза, неговата абсорбция на лазер се променя само бавно с повишаването на повърхностната температура; След като материалът се изпари и образува плазма и дупки, абсорбцията на лазера от материала внезапно ще се промени.
Както е показано на фигура 2, степента на абсорбция на лазера върху повърхността на материала по време на лазерно заваряване варира в зависимост от плътността на мощността на лазера и повърхностната температура на материала. Когато материалът не е разтопен, скоростта на поглъщане на материала от лазера бавно се увеличава с повишаване на температурата на повърхността на материала. Когато плътността на мощността е по-голяма от (10 ^ 6w/cm ^ 2), материалът се изпарява бурно, образувайки ключалка. Лазерът влиза в ключалката за множество отражения и абсорбция, което води до значително увеличаване на скоростта на абсорбция на материала от лазера и значително увеличаване на дълбочината на топене.
Абсорбция на лазер от метални материали – дължина на вълната
Горната фигура показва кривата на връзката между отразяващата способност, абсорбцията и дължината на вълната на често използвани метали при стайна температура. В инфрачервената област степента на поглъщане намалява и отразяващата способност се увеличава с увеличаване на дължината на вълната. Повечето метали отразяват силно инфрачервената светлина с дължина на вълната 10,6um (CO2), докато слабо отразяват инфрачервената светлина с дължина на вълната 1,06um (1060n). Металните материали имат по-високи нива на абсорбция за лазери с къса дължина на вълната, като синя и зелена светлина.
Поглъщане на лазер от метални материали – температура на материала и плътност на лазерната енергия
Вземайки алуминиевата сплав като пример, когато материалът е твърд, степента на лазерна абсорбция е около 5-7%, скоростта на абсорбция на течност е до 25-35% и може да достигне над 90% в състояние на ключалка.
Скоростта на абсорбция на материала от лазера се увеличава с повишаване на температурата. Скоростта на абсорбция на метални материали при стайна температура е много ниска. Когато температурата се повиши близо до точката на топене, степента на абсорбция може да достигне 40% ~ 60%. Ако температурата е близка до точката на кипене, нейната степен на абсорбция може да достигне до 90%.
Абсорбция на лазер от метални материали – състояние на повърхността
Конвенционалната степен на абсорбция се измерва с помощта на гладка метална повърхност, но при практически приложения на лазерно нагряване обикновено е необходимо да се увеличи степента на абсорбция на определени материали с висока степен на отразяване (алуминий, мед), за да се избегне фалшиво запояване, причинено от силно отразяване;
Могат да се използват следните методи:
1. Приемане на подходящи процеси за предварителна обработка на повърхността за подобряване на отразяващата способност на лазера: прототипно окисление, пясъкоструене, лазерно почистване, никелиране, калайдисване, графитно покритие и т.н. могат да подобрят степента на абсорбция на лазера от материала;
Ядрото е да се увеличи грапавостта на повърхността на материала (което е благоприятно за множество лазерни отражения и абсорбция), както и да се увеличи покриващият материал с висока степен на абсорбция. Чрез абсорбиране на лазерна енергия и нейното топене и изпаряване чрез материали с висока степен на поглъщане, лазерната топлина се предава на основния материал, за да подобри степента на поглъщане на материала и да намали виртуалното заваряване, причинено от феномена на силно отражение.
Време на публикуване: 23 ноември 2023 г
