Интеракција између ласера и материјала укључује многе физичке феномене и карактеристике. Следећа три чланка ће представити три кључна физичка феномена везана за процес ласерског заваривања како би колеге стекле јасније разумевање...процес ласерског заваривања: подељено на брзину апсорпције ласера и промене стања, плазму и ефекат кључаонице. Овог пута ћемо ажурирати везу између промена стања ласера и материјала и брзине апсорпције.
Промене у агрегатном 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, доћи ће до различитих промена на 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 значајно утичу на апсорпцију ласера од стране материјала. Са повећањем густине снаге и времена деловања, метални материјал ће претрпети следеће промене стања:
Кадаснага ласерагустина је ниска (<10 ^ 4w/cm ^ 2) и време зрачења је кратко, ласерска енергија коју апсорбује метал може само изазвати пораст температуре материјала од површине ка унутрашњости, али чврста фаза остаје непромењена. Углавном се користи за жарење делова и обраду каљења фазном трансформацијом, при чему су алати, зупчаници и лежајеви већина;
Са повећањем густине снаге ласера (10^4-10^6w/cm^2) и продужењем времена зрачења, површина материјала се постепено топи. Како се улазна енергија повећава, граница течност-чврсто стање се постепено помера ка дубоком делу материјала. Овај физички процес се углавном користи за површинско претопљавање, легирање, облагање и заваривање метала топлотном проводљивошћу.
Даљим повећањем густине снаге (>10^6w/cm^2) и продужавањем времена дејства ласера, површина материјала се не само топи већ и испарава, а испарене супстанце се окупљају близу површине материјала и слабо јонизују, формирајући плазму. Ова танка плазма помаже материјалу да апсорбује ласер; Под притиском испаравања и ширења, површина течности се деформише и формира удубљења. Ова фаза се може користити за ласерско заваривање, обично код спајања микро спојева топлотном проводљивошћу унутар 0,5 мм.
Даљим повећањем густине снаге (>10^7w/cm^2) и продужавањем времена зрачења, површина материјала подлеже снажном испаравању, формирајући плазму са високим степеном јонизације. Ова густа плазма има заштитни ефекат на ласер, значајно смањујући густину енергије ласера који пада на материјал. Истовремено, под великом силом реакције паре, унутар растопљеног метала формирају се мале рупе, познате као кључаонице. Постојање кључаоница је корисно за материјал да апсорбује ласер, а ова фаза се може користити за ласерско дубоко топљење, сечење и бушење, очвршћавање ударом итд.
Под различитим условима, различите таласне дужине ласерског зрачења на различитим металним материјалима резултираће специфичним вредностима густине снаге у свакој фази.
Што се тиче апсорпције ласера од стране материјала, испаравање материјала је граница. Када материјал не испарава, било у чврстој или течној фази, његова апсорпција ласера се мења само споро са повећањем температуре површине; када материјал испари и формира плазму и кључаонице, апсорпција ласера материјала ће се нагло 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 отопи, брзина апсорпције материјала од стране ласера полако расте са повећањем температуре површине материјала. Када је густина снаге већа од (10^6w/cm^2), материјал бурно испарава, формирајући „кључаоницу“. Ласер улази у „кључаоницу“ ради вишеструких рефлексија и апсорпције, што резултира значајним повећањем брзине апсорпције материјала од стране ласера и значајним повећањем дубине топљења.
Апсорпција ласера металним материјалима – таласна дужина
Горња слика приказује криву односа између рефлективности, апсорбанције и таласне дужине уобичајено коришћених метала на собној температури. У инфрацрвеном подручју, брзина апсорпције се смањује, а рефлективност расте са повећањем таласне дужине. Већина метала снажно рефлектује инфрацрвену светлост таласне дужине 10,6 μm (CO2), док слабо рефлектује инфрацрвену светлост таласне дужине 1,06 μm (1060 nm). Метални материјали имају веће стопе апсорпције за ласере кратких таласних дужина, 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 преко 90% у стању кључаонице.
Брзина апсорпције материјала у ласерском зрачењу повећава се са повећањем температуре. Брзина апсорпције металних материјала на собној температури је веома ниска. Када температура порасте близу тачке топљења, брзина апсорпције може достићи 40%~60%. Ако је температура близу тачке кључања, брзина апсорпције може достићи и 90%.
Апсорпција ласера металним материјалима – стање површине
Конвенционална брзина апсорпције се мери помоћу глатке металне површине, али у практичним применама ласерског загревања обично је потребно повећати брзину апсорпције одређених материјала са високом рефлексијом (алуминијум, бакар) како би се избегло лажно лемљење узроковано високом рефлексијом;
Могу се користити следеће методе:
1. Усвајање одговарајућих процеса претходне обраде површине ради побољшања рефлективности ласера: оксидација прототипа, пескарење, ласерско чишћење, никловање, калајисање, графитни премаз итд. могу побољшати брзину апсорпције ласера материјала;
Суштина је повећање храпавости површине материјала (што погодује вишеструким ласерским рефлексијама и апсорпцији), као и повећање материјала премаза са високом стопом апсорпције. Апсорпцијом ласерске енергије и њеним топљењем и испаравањем кроз материјале са високом стопом апсорпције, ласерска топлота се преноси на основни материјал како би се побољшала стопа апсорпције материјала и смањило виртуелно заваривање узроковано феноменом високе рефлексије.
Време објаве: 23. новембар 2023.
