Взаємодія між лазером і матеріалами включає багато фізичних явищ і характеристик. У наступних трьох статтях буде представлено три ключові фізичні явища, пов’язані з процесом лазерного зварювання, щоб дати колегам чіткіше розумінняпроцес лазерного зварювання: поділяється на швидкість поглинання лазера та зміни стану, плазму та ефект замкової щілини. Цього разу ми оновимо зв’язок між змінами стану лазера та матеріалів і швидкістю поглинання.
Зміни стану речовини, викликані взаємодією між лазером і матеріалами
Лазерна обробка металевих матеріалів в основному базується на термічній обробці фототермічних ефектів. Коли лазерне випромінювання застосовується до поверхні матеріалу, різні зміни будуть відбуватися в площі поверхні матеріалу з різною щільністю потужності. Ці зміни включають підвищення температури поверхні, плавлення, випаровування, утворення замкової щілини та утворення плазми. Крім того, зміни фізичного стану поверхні матеріалу значною мірою впливають на поглинання лазера матеріалом. Із збільшенням питомої потужності та часу дії металевий матеріал зазнає наступних змін стану:
Колипотужність лазеращільність низька (<10 ^ 4 Вт/см ^ 2), а час опромінення короткий, лазерна енергія, поглинена металом, може лише викликати підвищення температури матеріалу від поверхні досередини, але тверда фаза залишається незмінною . Він в основному використовується для відпалу деталей і обробки зміцнення фазовим перетворенням, при цьому більшість інструментів, шестерень і підшипників;
Зі збільшенням щільності потужності лазера (10 ^ 4-10 ^ 6 Вт/см ^ 2) і подовженням часу опромінення поверхня матеріалу поступово плавиться. У міру збільшення вхідної енергії межа розділу рідина-тверде тіло поступово переміщується до глибокої частини матеріалу. Цей фізичний процес в основному використовується для поверхневого переплавлення, легування, плакування та теплопровідного зварювання металів.
Завдяки подальшому збільшенню щільності потужності (>10 ^ 6 Вт/см ^ 2) і подовженню часу дії лазера поверхня матеріалу не тільки плавиться, але й випаровується, а випаровані речовини збираються біля поверхні матеріалу та слабо іонізуються, утворюючи плазму. Ця тонка плазма допомагає матеріалу поглинати лазер; Під тиском випаровування і розширення поверхня рідини деформується і утворює ямки. Цей етап можна використовувати для лазерного зварювання, як правило, для зварювання теплопровідністю мікроз’єднань у межах 0,5 мм.
Завдяки подальшому збільшенню щільності потужності (>10 ^ 7 Вт/см ^ 2) і подовженню часу опромінення поверхня матеріалу зазнає сильного випаровування, утворюючи плазму з високим ступенем іонізації. Ця щільна плазма екранує лазер, значно зменшуючи щільність енергії лазера, що падає на матеріал. У той же час під дією великої сили реакції пари всередині розплавленого металу утворюються маленькі отвори, широко відомі як замкові щілини. Існування замкових щілин є корисним для матеріалу, який поглинає лазер, і цю стадію можна використовувати для лазерного глибокого синтезу. зварювання, різання та свердління, ударне зміцнення та ін.
За різних умов різні довжини хвилі лазерного випромінювання на різних металевих матеріалах призведуть до певних значень густини потужності на кожному етапі.
З точки зору поглинання лазера матеріалами, випаровування матеріалів є межею. Коли матеріал не випаровується, як у твердій, так і в рідкій фазі, його поглинання лазера змінюється лише повільно зі збільшенням температури поверхні; Коли матеріал випаровується і утворює плазму та замкові щілини, поглинання лазера матеріалом раптово зміниться.
Як показано на малюнку 2, швидкість поглинання лазера на поверхні матеріалу під час лазерного зварювання змінюється залежно від щільності потужності лазера та температури поверхні матеріалу. Коли матеріал не розплавлений, швидкість поглинання матеріалу лазером повільно зростає зі збільшенням температури поверхні матеріалу. Коли щільність потужності перевищує (10 ^ 6 Вт/см ^ 2), матеріал бурхливо випаровується, утворюючи замкову щілину. Лазер потрапляє в замкову щілину для багаторазового відбиття та поглинання, що призводить до значного збільшення швидкості поглинання матеріалу лазером і значного збільшення глибини плавлення.
Поглинання лазера металевими матеріалами – довжина хвилі
Наведений вище малюнок показує криву залежності між відбивною здатністю, поглинанням і довжиною хвилі металів, які зазвичай використовуються при кімнатній температурі. В інфрачервоному діапазоні швидкість поглинання зменшується, а відбивна здатність зростає зі збільшенням довжини хвилі. Більшість металів сильно відбивають інфрачервоне світло з довжиною хвилі 10,6 мкм (CO2), тоді як слабко відбивають інфрачервоне світло з довжиною хвилі 1,06 мкм (1060 нм). Металеві матеріали мають вищі показники поглинання для лазерів з короткою довжиною хвилі, наприклад синього та зеленого світла.
Поглинання лазера металевими матеріалами – температура матеріалу та щільність енергії лазера
Беручи як приклад алюмінієвий сплав, коли матеріал твердий, швидкість поглинання лазера становить близько 5-7%, швидкість поглинання рідини становить до 25-35%, і вона може досягати понад 90% у стані замкової щілини.
Швидкість поглинання лазера матеріалом збільшується зі збільшенням температури. Швидкість поглинання металевих матеріалів при кімнатній температурі дуже низька. Коли температура піднімається майже до точки плавлення, його швидкість поглинання може досягати 40% ~ 60%. Якщо температура близька до точки кипіння, швидкість його поглинання може досягати 90%.
Поглинання лазера металевими матеріалами – стан поверхні
Звичайний рівень поглинання вимірюється за допомогою гладкої металевої поверхні, але в практичних застосуваннях лазерного нагрівання зазвичай необхідно збільшити коефіцієнт поглинання певних матеріалів із високим відбиттям (алюміній, мідь), щоб уникнути помилкового паяння, спричиненого високим відображенням;
Можна використовувати такі методи:
1. Застосування відповідних процесів попередньої обробки поверхні для покращення відбивної здатності лазера: окислення прототипу, піскоструминна обробка, лазерне очищення, нікелювання, лудіння, графітове покриття тощо можуть покращити швидкість поглинання лазера матеріалом;
Суть полягає у збільшенні шорсткості поверхні матеріалу (що сприяє багаторазовому лазерному відображенню та поглинанню), а також у збільшенні матеріалу покриття з високою швидкістю поглинання. Поглинаючи лазерну енергію, плавлячи та випаровуючи її через матеріали з високим рівнем поглинання, лазерне тепло передається основному матеріалу, щоб покращити швидкість поглинання матеріалу та зменшити віртуальне зварювання, викликане явищем високого відбиття.
Час публікації: 23 листопада 2023 р
