Взаимодействието между лазера и материалите включва много физични 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 за...процес на лазерно заваряване: разделено на скорост на поглъщане на лазер и промени в състоянието, плазма и ефект на ключалката. Този път ще актуализираме връзката между промените в състоянието на лазера и материалите и скоростта на поглъщане.
Промени в агрегатното състояние на материята, причинени от взаимодействието между лазера и материалите
Лазерната обработка на метални материали се основава главно на термичната обработка на фототермични ефекти. Когато лазерното облъчване се приложи към повърхността на материала, при различни плътности на мощността, в повърхността на материала настъпват различни промени. Тези промени включват повишаване на повърхностната температура, топене, изпаряване, образуване на „ключови дупки“ и генериране на плазма. Освен това, промените във физическото състояние на повърхността на материала силно влияят на абсорбцията на лазер от материала. С увеличаване на плътността на мощността и времето на действие, металният материал ще претърпи следните промени в състоянието си:
Когатолазерна мощностПлътността 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 детайли и фазово-трансформационно закаляване, като инструментите, зъбните колела и лагерите са по-голямата част от тях;
С увеличаване на плътността на мощността на лазера (10^4-10^6w/cm^2) и удължаване на времето на облъчване, повърхността на материала постепенно се топи. С увеличаване на входната енергия, границата между течност и твърдо вещество постепенно се измества към дълбоката част на материала. Този физичен процес се използва главно за повърхностно претопяване, легиране, плакиране и топлопроводимо заваряване на метали.
Чрез допълнително увеличаване на плътността на мощността (>10^6w/cm^2) и удължаване на времето на лазерно действие, повърхността на материала не само се топи, но и се изпарява, а изпарените вещества се събират близо до повърхността на материала и слабо се йонизират, образувайки плазма. Тази тънка плазма помага на материала да абсорбира лазера; Под налягането на изпаряване и разширяване, повърхността на течността се деформира и образува вдлъбнатини. Този етап може да се използва за лазерно заваряване, обикновено при снаждане с топлопроводимост на микровръзки в рамките на 0,5 мм.
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, значително намалявайки енергийната плътност на лазера, падащ върху материала. В същото време, под въздействието на голяма сила на реакция на парите, вътре в разтопения метал се образуват малки отвори, известни като „ключови дупки“. Наличието на „ключови дупки“ е благоприятно за материала да абсорбира лазера и този етап може да се използва за лазерно дълбоко заваряване, рязане и пробиване, ударно закаляване и др.
При различни условия, различните дължини на вълната на лазерното облъчване върху различни метални материали ще доведат до специфични стойности на плътността на мощността на всеки етап.
По отношение на абсорбцията на лазер от материалите, изпаряването на материалите е граничен процес. Когато материалът не се изпарява, независимо дали е в твърда или течна фаза, абсорбцията на лазера се променя бавно с повишаване на температурата на повърхността. След като материалът се изпари и образува плазма и „ключови дупки“, абсорбцията на лазера от материала ще се промени внезапно.
Както е показано на Фигура 2, скоростта на поглъщане на лазера върху повърхността на материала по време на лазерно заваряване варира в зависимост от плътността на лазерната мощност и температурата на повърхността 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 „ключова дупка“. Лазерът навлиза в „ключовата дупка“ за многократни отражения и поглъщане, което води до значително увеличение на скоростта на поглъщане 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 зависимостта между отражателната способност, абсорбцията и дължината на вълната на често използваните метали при стайна температура. В инфрачервения регион скоростта на абсорбция намалява, а отражателната способност се увеличава с увеличаване на дължината на вълната. Повечето метали силно отразяват инфрачервената светлина с дължина на вълната 10,6 μm (CO2), докато слабо отразяват инфрачервената светлина с дължина на вълната 1,06 μm (1060 nm). Металните материали имат по-високи скорости на абсорбция за лазери с къса дължина на вълната, като например синя и зелена светлина.
Поглъщане на лазер от метални материали – температура на материала и плътност на лазерната енергия
Вземайки за пример алуминиевата сплав, когато материалът е твърд, степента на поглъщане на лазера е около 5-7%, степента на поглъщане на течности е до 25-35% и може да достигне над 90% в състояние на ключалка.
Степента на поглъщане на лазерния лъч от материала се увеличава с повишаване на температурата. Степента на поглъщане на металните материали при стайна температура е много ниска. Когато температурата се повиши до точката на топене, степента на поглъщане може да достигне 40%~60%. Ако температурата е близо до точката на кипене, степента на поглъщане може да достигне до 90%.
Абсорбция на лазер от метални материали – състояние на повърхността
Конвенционалната скорост на поглъщане се измерва с помощта на гладка метална повърхност, но при практически приложения на лазерното нагряване обикновено е необходимо да се увеличи скоростта на поглъщане на някои материали с висока отражателна способност (алуминий, мед), за да се избегне фалшиво запояване, причинено от висока отражателна способност;
Могат да се използват следните методи:
1. Приемането на подходящи процеси за предварителна обработка на повърхността за подобряване на отражателната способност на лазера: окисляване на прототипи, пясъкоструене, лазерно почистване, никелиране, калайдисване, графитно покритие и др. могат да подобрят степента на поглъщане на лазера от материала;
Основната цел е да се увеличи грапавостта на повърхността на материала (което е благоприятно за многократно отражение и абсорбция на лазера), както и да се увеличи високата степен на абсорбция на материала на покритието. Чрез абсорбиране на лазерната енергия и нейното топене и изпаряване чрез материали с висока степен на абсорбция, лазерната топлина се предава на основния материал, за да се подобри степента на абсорбция на материала и да се намали виртуалното заваряване, причинено от феномена на висока степен на отражение.
Време на публикуване: 23 ноември 2023 г.
