Interakcija između lasera i materijala uključuje mnoge fizičke pojave i karakteristike. Sljedeća tri članka predstavit će tri ključna fizička fenomena povezana s procesom laserskog zavarivanja kako bi se kolegama pružilo jasnije razumijevanje...postupak laserskog zavarivanja: podijeljeno na brzinu apsorpcije lasera i promjene stanja, plazmu i efekt ključanice. Ovaj put ćemo ažurirati odnos između promjena stanja lasera i materijala te brzine apsorpcije.
Promjene agregatnog stanja uzrokovane interakcijom lasera i materijala
Laserska obrada metalnih materijala uglavnom se temelji na toplinskoj obradi fototermalnih efekata. Kada se lasersko zračenje primijeni na površinu materijala, pri različitim gustoćama snage dolazi do različitih promjena na površini materijala. Te promjene uključuju porast temperature površine, taljenje, isparavanje, stvaranje laserskih rupa i stvaranje plazme. Štoviše, promjene u fizičkom stanju površine materijala uvelike utječu na apsorpciju lasera u materijalu. S povećanjem gustoće snage i vremena djelovanja, metalni materijal će proći kroz sljedeće promjene stanja:
Kadasnaga laseragustoća je niska (<10 ^ 4w/cm ^ 2) i vrijeme zračenja kratko, laserska energija koju apsorbira metal može uzrokovati samo porast temperature materijala od površine prema unutra, ali čvrsta faza ostaje nepromijenjena. Uglavnom se koristi za žarenje dijelova i obradu fazne transformacije, pri čemu se većina koristi za alate, zupčanike i ležajeve;
S povećanjem gustoće laserske snage (10^4-10^6w/cm^2) i produljenjem vremena ozračivanja, površina materijala se postupno topi. Kako se ulazna energija povećava, granica tekućina-kruto tijelo postupno se pomiče prema dubokom dijelu materijala. Ovaj fizički proces se uglavnom koristi za površinsko pretapanje, legiranje, platiranje i zavarivanje metala toplinskom vodljivošću.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 6 W/cm ^ 2) i produljenjem vremena djelovanja lasera, površina materijala se ne samo topi, već i isparava, a isparene tvari se skupljaju blizu površine materijala i slabo ioniziraju stvarajući plazmu. Ova tanka plazma pomaže materijalu da apsorbira laser; Pod tlakom isparavanja i širenja, površina tekućine se deformira i stvara udubljenja. Ova faza može se koristiti za lasersko zavarivanje, obično kod spajanja toplinskom vodljivošću mikrospojeva unutar 0,5 mm.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 7 W/cm ^ 2) i produljenjem vremena ozračivanja, površina materijala podliježe snažnom isparavanju, stvarajući plazmu s visokim stupnjem ionizacije. Ova gusta plazma ima zaštitni učinak na laser, uvelike smanjujući gustoću energije lasera koji upada u materijal. Istovremeno, pod velikom silom reakcije pare, unutar rastaljenog metala formiraju se male rupe, obično poznate kao ključanice. Postojanje ključanica korisno je za materijal da apsorbira laser, a ova faza može se koristiti za lasersko duboko taljenje, rezanje i bušenje, udarno kaljenje itd.
Pod različitim uvjetima, različite valne duljine laserskog zračenja na različitim metalnim materijalima rezultirat će specifičnim vrijednostima gustoće snage u svakoj fazi.
Što se tiče apsorpcije lasera od strane materijala, isparavanje materijala je granica. Kada materijal ne isparava, bilo u čvrstoj ili tekućoj fazi, njegova apsorpcija lasera se mijenja samo polako s porastom temperature površine; Nakon što materijal ispari i formira plazmu i pukotine, apsorpcija lasera materijala će se naglo promijeniti.
Kao što je prikazano na slici 2, brzina apsorpcije lasera na površini materijala tijekom laserskog zavarivanja varira s gustoćom laserske snage i temperaturom površine materijala. Kada se materijal ne tali, brzina apsorpcije materijala na laser polako se povećava s porastom temperature površine materijala. Kada je gustoća snage veća od (10^6w/cm^2), materijal se snažno isparava, formirajući ključanicu. Laser ulazi u ključanicu radi višestrukih refleksija i apsorpcije, što rezultira značajnim povećanjem brzine apsorpcije materijala na laser i značajnim povećanjem dubine taljenja.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – valna duljina
Gornja slika prikazuje krivulju odnosa između refleksivnosti, apsorbancije i valne duljine uobičajeno korištenih metala na sobnoj temperaturi. U infracrvenom području, brzina apsorpcije se smanjuje, a refleksivnost raste s povećanjem valne duljine. Većina metala snažno reflektira infracrvenu svjetlost valne duljine 10,6 μm (CO2), dok slabo reflektira infracrvenu svjetlost valne duljine 1,06 μm (1060 nm). Metalni materijali imaju veće brzine apsorpcije za lasere kratkih valnih duljina, 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 u stanju ključanice može doseći i preko 90%.
Stopa apsorpcije materijala na laseru raste s porastom temperature. Stopa apsorpcije metalnih materijala na sobnoj temperaturi je vrlo niska. Kada temperatura poraste do točke taljenja, stopa apsorpcije može doseći 40%~60%. Ako je temperatura blizu točke vrelišta, stopa apsorpcije može doseći i do 90%.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – stanje površine
Konvencionalna brzina apsorpcije mjeri se glatkom metalnom površinom, ali u praktičnim primjenama laserskog zagrijavanja obično je potrebno povećati brzinu apsorpcije određenih materijala s visokom refleksijom (aluminij, bakar) kako bi se izbjeglo lažno lemljenje uzrokovano visokom refleksijom;
Mogu se koristiti sljedeće metode:
1. Primjena odgovarajućih procesa predobrade površine za poboljšanje reflektivnosti lasera: oksidacija prototipa, pjeskarenje, lasersko čišćenje, niklanje, kositrenje, grafitiranje itd. mogu poboljšati brzinu apsorpcije lasera u materijalu;
Srž je povećanje hrapavosti površine materijala (što pogoduje višestrukim laserskim refleksijama i apsorpciji), kao i povećanje materijala premaza s visokom stopom apsorpcije. Apsorpcijom laserske energije te njezinim taljenjem i isparavanjem kroz materijale s visokom stopom apsorpcije, laserska toplina se prenosi na osnovni materijal kako bi se poboljšala stopa apsorpcije materijala i smanjilo virtualno zavarivanje uzrokovano fenomenom visoke refleksije.
Vrijeme objave: 23. studenog 2023.
