Взаємодія між лазером та матеріалами включає багато фізичних явищ та характеристик. У наступних трьох статтях буде представлено три ключові фізичні явища, пов'язані з процесом лазерного зварювання, щоб колеги краще розуміли...процес лазерного зварювання: поділено 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, спричинені взаємодією лазера з матеріалами
Лазерна обробка металевих матеріалів в основному базується на термічній обробці фототермічних ефектів. Коли лазерне опромінення застосовується до поверхні матеріалу, на його поверхні відбуваються різні зміни за різних густин потужності. Ці зміни включають підвищення температури поверхні, плавлення, випаровування, утворення замкової щілини та генерацію плазми. Крім того, зміни фізичного стану поверхні матеріалу суттєво впливають на поглинання лазерного випромінювання матеріалом. Зі збільшенням густини потужності та часу дії лазерне випромінювання зазнає таких змін стану металевого матеріалу:
Колипотужність лазеращільність низька (<10 ^ 4 Вт/см ^ 2), а час опромінення короткий, лазерна енергія, що поглинається металом, може лише спричинити підвищення температури матеріалу від поверхні всередину, але тверда фаза залишається незмінною. В основному використовується для відпалу деталей та фазового зміцнення, причому більшість з них складають інструменти, шестерні та підшипники;
Зі збільшенням густини потужності лазера (10^4-10^6 Вт/см^2) та збільшенням часу опромінення поверхня матеріалу поступово плавиться. Зі збільшенням вхідної енергії межа розділу рідина-тверде тіло поступово переміщується до глибинної частини матеріалу. Цей фізичний процес в основному використовується для поверхневого переплавлення, легування, плакування та теплопровідного зварювання металів.
Завдяки подальшому збільшенню густини потужності (>10^6 Вт/см^2) та подовженню часу дії лазера, поверхня матеріалу не тільки плавиться, але й випаровується, а випаровані речовини збираються поблизу поверхні матеріалу та слабо іонізуються, утворюючи плазму. Ця тонка плазма допомагає матеріалу поглинати лазер; під тиском випаровування та розширення поверхня рідини деформується та утворює ямки. Цей етап може бути використаний для лазерного зварювання, зазвичай для зрощування та теплопровідного зварювання мікроз'єднань у межах 0,5 мм.
Завдяки подальшому збільшенню щільності потужності (>10^7 Вт/см^2) та подовженню часу опромінення, поверхня матеріалу сильно випаровується, утворюючи плазму з високим ступенем іонізації. Ця щільна плазма має екрануючий ефект на лазер, значно зменшуючи щільність енергії лазера, що падає на матеріал. Водночас, під дією великої сили реакції пари, всередині розплавленого металу утворюються невеликі отвори, зазвичай відомі як замкові щілини. Існування замкових щілин сприяє поглинанню лазера матеріалом, і цей етап може бути використаний для лазерного глибокого зварювання плавленням, різання та свердління, ударного зміцнення тощо.
За різних умов, різні довжини хвиль лазерного опромінення різних металевих матеріалів призведуть до певних значень густини потужності на кожному етапі.
Щодо поглинання лазерного випромінювання матеріалами, то випаровування матеріалів є межею. Коли матеріал не випаровується, незалежно від того, чи знаходиться він у твердій чи рідкій фазі, його поглинання лазерного випромінювання змінюється лише повільно зі збільшенням температури поверхні; щойно матеріал випаровується та утворює плазму й «замкові щілини», поглинання лазерного випромінювання матеріалом раптово змінюється.
Як показано на рисунку 2, коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання поверхнею матеріалу під час лазерного зварювання змінюється залежно від густини потужності лазера та температури поверхні матеріалу. Коли матеріал не розплавлений, коефіцієнт поглинання матеріалом лазера повільно зростає зі збільшенням температури поверхні матеріалу. Коли густина потужності перевищує (10^6 Вт/см^2), матеріал інтенсивно випаровується, утворюючи «замкову щілину». Лазер потрапляє в «замкову щілину» для багаторазового відбиття та поглинання, що призводить до значного збільшення коефіцієнта поглинання матеріалом лазера та значного збільшення глибини плавлення.
Поглинання лазера металевими матеріалами – довжина хвилі
Наведений вище малюнок показує криву залежності між відбивною здатністю, поглинанням та довжиною хвилі металів, що зазвичай використовуються, за кімнатної температури. В інфрачервоному діапазоні коефіцієнт 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 вищий коефіцієнт поглинання для лазерів з короткою довжиною хвилі, таких як синє та зелене світло.
Поглинання лазера металевими матеріалами – температура матеріалу та щільність лазерної енергії
Візьмемо, наприклад, алюмінієвий сплав, коли матеріал твердий, коефіцієнт поглинання лазера становить близько 5-7%, коефіцієнт поглинання рідини — до 25-35%, а в стані замкової щілини він може сягати понад 90%.
Коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання матеріалом збільшується зі збільшенням температури. Коефіцієнт поглинання металевих матеріалів за кімнатної температури дуже низький. Коли температура піднімається до точки плавлення, коефіцієнт поглинання може досягати 40%~60%. Якщо температура близька до точки кипіння, коефіцієнт поглинання може досягати 90%.
Поглинання лазера металевими матеріалами – стан поверхні
Звичайний коефіцієнт поглинання вимірюється за допомогою гладкої металевої поверхні, але в практичному застосуванні лазерного нагрівання зазвичай необхідно збільшити коефіцієнт поглинання певних матеріалів з високим відбиттям (алюміній, мідь), щоб уникнути помилкового паяння, спричиненого високим відбиттям;
Можна використовувати такі методи:
1. Впровадження відповідних процесів попередньої обробки поверхні для покращення відбивної здатності лазера: окислення прототипів, піскоструминна обробка, лазерне очищення, нікелювання, лудіння, графітове покриття тощо може покращити коефіцієнт поглинання лазера матеріалом;
Основною метою є збільшення шорсткості поверхні матеріалу (що сприяє багаторазовому відбиванню та поглинанню лазера), а також збільшення поглинання матеріалом покриття. Шляхом поглинання лазерної енергії, її плавлення та випаровування через матеріали з високим коефіцієнтом поглинання, лазерне тепло передається основному матеріалу для покращення коефіцієнта поглинання матеріалом та зменшення віртуального зварювання, спричиненого явищем високого відбиття.
Час публікації: 23 листопада 2023 р.
