Брзина апсорпције ласера ​​и промене стања материје интеракције ласерског материјала

Интеракција између ласера ​​и материјала укључује многе физичке појаве и карактеристике. Следећа три чланка ће представити три кључна физичка феномена у вези са процесом ласерског заваривања како би се колегама пружило јасније разумевањепроцес ласерског заваривања: подељен на брзину апсорпције ласера ​​и промене у стању, плазму и ефекат кључаонице. Овог пута ћемо ажурирати однос између промена стања ласера ​​и материјала и брзине апсорпције.

Промене у стању материје изазване интеракцијом између ласера ​​и материјала

Ласерска обрада металних материјала се углавном заснива на термичкој обради фототермалних ефеката. Када се ласерско зрачење примени на површину материјала, долази до различитих промена у површини материјала при различитим густинама снаге. Ове промене укључују пораст температуре површине, топљење, испаравање, формирање кључаонице и стварање плазме. Штавише, промене у физичком стању површине материјала у великој мери утичу на апсорпцију ласера ​​од стране материјала. Са повећањем густине снаге и времена деловања, метални материјал ће доживети следеће промене у стању:

Када јеснага ласерагустина је ниска (<10 ^ 4в/цм ^ 2) и време зрачења је кратко, ласерска енергија коју апсорбује метал може само да изазове пораст температуре материјала са површине ка унутрашњој страни, али чврста фаза остаје непромењена . Углавном се користи за деоно жарење и третман очвршћавања у фази трансформације, при чему су алати, зупчаници и лежајеви већина;

Са повећањем густине снаге ласера ​​(10 ^ 4-10 ^ 6в/цм ^ 2) и продужењем времена зрачења, површина материјала се постепено топи. Како се улазна енергија повећава, интерфејс течност-чврста материја постепено се помера ка дубоком делу материјала. Овај физички процес се углавном користи за површинско претапање, легирање, облагање и заваривање метала са топлотном проводљивошћу.

Даљим повећањем густине снаге (>10 ^ 6в/цм ^ 2) и продужењем времена деловања ласера, површина материјала не само да се топи већ и испарава, а испарене супстанце се скупљају близу површине материјала и слабо јонизују да би формирале плазму. Ова танка плазма помаже материјалу да апсорбује ласер; Под притиском испаравања и експанзије, површина течности се деформише и формира јаме. Ова фаза се може користити за ласерско заваривање, обично у заваривању топлотне проводљивости микро спојева унутар 0,5 мм.

Даљњим повећањем густине снаге (>10 ^ 7в/цм ^ 2) и продужењем времена зрачења, површина материјала пролази кроз снажно испаравање, формирајући плазму са високим степеном јонизације. Ова густа плазма има заштитни ефекат на ласер, значајно смањујући густину енергије ласера ​​који упада у материјал. Истовремено, под великом силом реакције паре, мале рупе, обично познате као кључаонице, формирају се унутар растопљеног метала. Постојање кључаоница је корисно за материјал да апсорбује ласер, а ова фаза се може користити за ласерску дубоку фузију заваривање, сечење и бушење, ударно каљење итд.

Под различитим условима, различите таласне дужине ласерског зрачења на различитим металним материјалима ће резултирати специфичним вредностима густине снаге у свакој фази.

У смислу апсорпције ласера ​​материјалима, испаравање материјала је граница. Када се материјал не подвргава испаравању, било у чврстој или течној фази, његова апсорпција ласера ​​се само полако мења са повећањем површинске температуре; Једном када материјал испари и формира плазму и кључаонице, апсорпција ласера ​​од материјала ће се изненада променити.

Као што је приказано на слици 2, брзина апсорпције ласера ​​на површини материјала током ласерског заваривања варира у зависности од густине снаге ласера ​​и температуре површине материјала. Када се материјал не топи, брзина апсорпције материјала у ласеру се полако повећава са повећањем температуре површине материјала. Када је густина снаге већа од (10 ^ 6в/цм ^ 2), материјал нагло испарава, формирајући кључаоницу. Ласер улази у кључаоницу ради вишеструких рефлексија и апсорпције, што доводи до значајног повећања стопе апсорпције материјала у ласеру и значајног повећања дубине топљења.

Апсорпција ласера ​​металним материјалима – таласна дужина

Горња слика приказује криву везе између рефлексивности, апсорпције и таласне дужине метала који се обично користе на собној температури. У инфрацрвеном подручју, стопа апсорпције опада и рефлективност расте са повећањем таласне дужине. Већина метала снажно рефлектује инфрацрвену светлост таласне дужине од 10,6 ум (ЦО2), док слабо рефлектује инфрацрвено светло таласне дужине од 1,06 ум (1060 нм). Метални материјали имају веће стопе апсорпције за ласере кратке таласне дужине, као што су плава и зелена светлост.

Апсорпција ласера ​​металним материјалима – температура материјала и густина енергије ласера

Узимајући легуру алуминијума као пример, када је материјал чврст, стопа апсорпције ласера ​​је око 5-7%, стопа апсорпције течности је до 25-35%, а може достићи и преко 90% у стању кључаонице.

Брзина апсорпције материјала у ласеру расте са повећањем температуре. Брзина апсорпције металних материјала на собној температури је веома ниска. Када температура порасте близу тачке топљења, њена стопа апсорпције може да достигне 40% ~ 60%. Ако је температура близу тачке кључања, њена стопа апсорпције може достићи чак 90%.

Апсорпција ласера ​​металним материјалима – стање површине

Конвенционална стопа апсорпције се мери коришћењем глатке металне површине, али у практичним применама ласерског грејања, обично је потребно повећати стопу апсорпције одређених материјала са високом рефлексијом (алуминијум, бакар) како би се избегло лажно лемљење узроковано великом рефлексијом;

Могу се користити следеће методе:

1. Усвајање одговарајућих процеса претходног третмана површине како би се побољшала рефлективност ласера: оксидација прототипа, пескарење, ласерско чишћење, никловање, калајисање, графитни премаз, итд. може побољшати стопу апсорпције ласера ​​од материјала;

Суштина је да се повећа храпавост површине материјала (што је погодно за вишеструке ласерске рефлексије и апсорпцију), као и да повећа материјал премаза са високом стопом апсорпције. Апсорбовањем ласерске енергије и њеном топљењем и испаравањем кроз материјале са високом стопом апсорпције, ласерска топлота се преноси на основни материјал како би се побољшала брзина апсорпције материјала и смањило виртуелно заваривање узроковано феноменом високе рефлексије.