Interakcija između lasera i materijala uključuje mnoge fizikalne pojave i karakteristike. Sljedeća tri članka predstavit će tri ključna fizikalna fenomena povezana s postupkom laserskog zavarivanja kako bi kolegama omogućili jasnije razumijevanjepostupak laserskog zavarivanja: podijeljeno na brzinu apsorpcije lasera i promjene stanja, plazmu i učinak ključanice. Ovaj put ćemo ažurirati odnos između promjena u stanju lasera i materijala te stope apsorpcije.
Promjene agregatnog stanja uzrokovane interakcijom između lasera i materijala
Laserska obrada metalnih materijala uglavnom se temelji na toplinskoj obradi fototermalnih učinaka. Kada se lasersko zračenje primijeni na površinu materijala, dogodit će se različite promjene na površini materijala pri različitim gustoćama snage. Te promjene uključuju porast površinske temperature, taljenje, isparavanje, stvaranje ključanice i stvaranje plazme. Štoviše, promjene u fizičkom stanju površine materijala uvelike utječu na apsorpciju lasera od materijala. S povećanjem gustoće snage i vremena djelovanja, metalni materijal će doživjeti sljedeće promjene u stanju:
Kada jesnaga laseragustoća je niska (<10 ^ 4w/cm ^ 2) i vrijeme zračenja je kratko, energija lasera koju apsorbira metal može samo uzrokovati porast temperature materijala od površine prema unutra, ali čvrsta faza ostaje nepromijenjena . Uglavnom se koristi za žarenje dijelova i tretman otvrdnjavanja faznom transformacijom, s većinom alata, zupčanika i ležajeva;
S povećanjem gustoće snage lasera (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) i produljenjem vremena ozračivanja, površina materijala se postupno topi. Kako se ulazna energija povećava, sučelje tekućina-kruto postupno se pomiče prema dubljem dijelu materijala. Ovaj se fizički proces uglavnom koristi za površinsko taljenje, legiranje, plakiranje i zavarivanje metala toplinskom vodljivošću.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 6w/cm ^ 2) i produljenjem vremena djelovanja lasera, površina materijala ne samo da se topi, već i isparava, a isparene tvari skupljaju se u blizini površine materijala i slabo ioniziraju stvarajući plazmu. Ova tanka plazma pomaže materijalu da apsorbira laser; Pod pritiskom isparavanja i širenja, površina tekućine se deformira i formira jame. Ova faza se može koristiti za lasersko zavarivanje, obično u spajanju toplinske vodljivosti mikro spojeva unutar 0,5 mm.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 7w/cm ^ 2) i produljenjem vremena ozračivanja, površina materijala prolazi kroz snažno isparavanje, stvarajući plazmu s visokim stupnjem ionizacije. Ova gusta plazma ima zaštitni učinak na laser, uvelike smanjujući gustoću energije lasera koji upada u materijal. U isto vrijeme, pod velikom silom reakcije pare, male rupe, obično poznate kao ključanice, nastaju unutar otopljenog metala. Postojanje ključanica je korisno za materijal koji apsorbira laser, a ovaj se stupanj može koristiti za lasersku duboku fuziju zavarivanje, rezanje i bušenje, otvrdnjavanje na udar itd.
Pod različitim uvjetima, različite valne duljine laserskog zračenja na različitim metalnim materijalima rezultirat će specifičnim vrijednostima gustoće snage u svakoj fazi.
U smislu apsorpcije lasera materijalima, isparavanje materijala je granica. Kada materijal ne prolazi kroz isparavanje, bilo u čvrstoj ili tekućoj fazi, njegova apsorpcija lasera samo se sporo mijenja s porastom površinske temperature; Nakon što materijal ispari i formira plazmu i ključanice, apsorpcija lasera od strane materijala će se iznenada promijeniti.
Kao što je prikazano na slici 2, brzina apsorpcije lasera na površini materijala tijekom laserskog zavarivanja varira s gustoćom snage lasera i temperaturom površine materijala. Kada materijal nije otopljen, brzina apsorpcije materijala za laser polako se povećava s povećanjem temperature površine materijala. Kada je gustoća snage veća od (10 ^ 6w/cm ^ 2), materijal snažno isparava, stvarajući ključanicu. Laser ulazi u ključanicu radi višestruke refleksije i apsorpcije, što rezultira značajnim povećanjem brzine apsorpcije materijala za laser i značajnim povećanjem dubine taljenja.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – valna duljina
Gornja slika prikazuje krivulju odnosa između refleksije, apsorbancije i valne duljine uobičajeno korištenih metala na sobnoj temperaturi. U infracrvenom području stopa apsorpcije opada, a reflektivnost raste s povećanjem valne duljine. Većina metala snažno reflektira infracrveno svjetlo valne duljine 10,6 um (CO2), dok slabo reflektira infracrveno svjetlo valne duljine 1,06 um (1060 nm). Metalni materijali imaju veće stope apsorpcije za lasere kratke valne duljine, poput plave i zelene svjetlosti.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – temperatura materijala i gustoća laserske energije
Uzimajući aluminijsku leguru kao primjer, kada je materijal čvrst, stopa apsorpcije lasera je oko 5-7%, stopa apsorpcije tekućine je do 25-35%, a može doseći i preko 90% u stanju ključanice.
Brzina apsorpcije materijala za laser raste s povećanjem temperature. Stopa apsorpcije metalnih materijala na sobnoj temperaturi je vrlo niska. Kada temperatura poraste blizu tališta, njegova stopa apsorpcije može doseći 40%~60%. Ako je temperatura blizu vrelišta, njegova stopa apsorpcije može doseći čak 90%.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – stanje površine
Konvencionalna stopa apsorpcije mjeri se pomoću glatke metalne površine, ali u praktičnim primjenama laserskog grijanja obično je potrebno povećati stopu apsorpcije određenih materijala visoke refleksije (aluminij, bakar) kako bi se izbjeglo lažno lemljenje uzrokovano visokom refleksijom;
Mogu se koristiti sljedeće metode:
1. Usvajanje odgovarajućih postupaka prethodne obrade površine za poboljšanje reflektivnosti lasera: oksidacija prototipa, pjeskarenje, lasersko čišćenje, poniklavanje, pokositrenje, premazivanje grafitom itd. mogu poboljšati brzinu apsorpcije lasera od materijala;
Suština je povećati hrapavost površine materijala (što pogoduje višestrukim laserskim refleksijama i apsorpciji), kao i povećati materijal za oblaganje visokom stopom apsorpcije. Apsorpcijom laserske energije te njezinim taljenjem i isparavanjem kroz materijale s visokom stopom apsorpcije, laserska se toplina prenosi na osnovni materijal kako bi se poboljšala stopa apsorpcije materijala i smanjilo virtualno zavarivanje uzrokovano fenomenom visoke refleksije.
Vrijeme objave: 23. studenoga 2023
