Interakcija između lasera i materijala uključuje mnoge fizičke pojave i karakteristike. Sljedeća tri članka predstavit će tri ključna fizička fenomena vezana za proces laserskog zavarivanja kako bi kolegama pružili jasnije razumijevanjeproces laserskog zavarivanja: podijeljeno na brzinu apsorpcije lasera i promjene u stanju, plazmu i efekat ključaonice. Ovaj put ćemo ažurirati odnos između promjena stanja lasera i materijala i stope apsorpcije.
Promjene u stanju tvari uzrokovane interakcijom između lasera i materijala
Laserska obrada metalnih materijala uglavnom se zasniva na termičkoj obradi fototermalnih efekata. Kada se lasersko zračenje primjenjuje na površinu materijala, na površini materijala će se pojaviti različite promjene pri različitim gustoćama snage. Ove promjene uključuju porast površinske temperature, topljenje, isparavanje, formiranje ključaonice i stvaranje plazme. Štoviše, promjene u fizičkom stanju površine materijala uvelike utiču na apsorpciju lasera od strane materijala. Sa povećanjem gustine snage i vremena djelovanja, metalni materijal će doživjeti sljedeće promjene u stanju:
Kada jelaserska snagagustoća je niska (<10 ^ 4w/cm ^ 2) i vrijeme zračenja je kratko, laserska energija koju apsorbira metal može samo uzrokovati porast temperature materijala s površine prema unutra, ali čvrsta faza ostaje nepromijenjena . Uglavnom se koristi za žarenje dijelova i tretman očvršćavanja u fazi transformacije, pri čemu su alati, zupčanici i ležajevi većina;
Sa povećanjem gustine snage lasera (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) i produžavanjem vremena zračenja, površina materijala se postepeno topi. Kako se ulazna energija povećava, sučelje tekućina-čvrsta materija se postepeno pomiče prema dubokom dijelu materijala. Ovaj fizički proces se uglavnom koristi za površinsko pretapanje, legiranje, oblaganje i zavarivanje metala sa toplinskom provodljivošću.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 6w/cm ^ 2) i produžavanjem vremena djelovanja lasera, površina materijala ne samo da se topi, već i isparava, a isparene tvari se skupljaju blizu površine materijala i slabo ioniziraju kako bi formirale plazmu. Ova tanka plazma pomaže materijalu da apsorbira laser; Pod pritiskom isparavanja i ekspanzije, površina tečnosti se deformiše i formira jame. Ova faza se može koristiti za lasersko zavarivanje, obično u spajanju zavarivanja toplotne provodljivosti mikro spojeva unutar 0,5 mm.
Daljnjim povećanjem gustine snage (>10 ^ 7w/cm ^ 2) i produžavanjem vremena zračenja, površina materijala prolazi kroz jako isparavanje, formirajući plazmu sa visokim stepenom jonizacije. Ova gusta plazma ima zaštitni efekat na laser, značajno smanjujući gustinu energije lasera koji upada u materijal. Istovremeno, pod velikom silom reakcije pare, unutar rastopljenog metala se formiraju male rupe, poznate kao ključaonice. Postojanje ključaonica je korisno za materijal da apsorbira laser, a ova faza se može koristiti za lasersku duboku fuziju zavarivanje, rezanje i bušenje, udarno kaljenje itd.
U različitim uslovima, različite talasne dužine laserskog zračenja na različitim metalnim materijalima će rezultirati specifičnim vrednostima gustine snage u svakoj fazi.
U smislu apsorpcije lasera materijalima, isparavanje materijala je granica. Kada materijal ne prolazi kroz isparavanje, bilo u čvrstoj ili tečnoj fazi, njegova apsorpcija lasera se samo polako mijenja s povećanjem površinske temperature; Jednom kada materijal ispari i formira plazmu i ključaonice, materijalna apsorpcija lasera će se iznenada promijeniti.
Kao što je prikazano na slici 2, brzina apsorpcije lasera na površini materijala tokom laserskog zavarivanja varira u zavisnosti od gustine snage lasera i temperature površine materijala. Kada se materijal ne topi, brzina apsorpcije materijala u laseru polako raste s povećanjem temperature površine materijala. Kada je gustina snage veća od (10 ^ 6w/cm ^ 2), materijal naglo isparava, formirajući ključaonicu. Laser ulazi u ključaonicu radi višestrukih refleksija i apsorpcije, što rezultira značajnim povećanjem stope apsorpcije materijala u laseru i značajnim povećanjem dubine topljenja.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – talasna dužina
Gornja slika prikazuje krivulju odnosa između reflektivnosti, apsorpcije i valne dužine obično korištenih metala na sobnoj temperaturi. U infracrvenom području, stopa apsorpcije opada, a reflektivnost raste sa povećanjem talasne dužine. Većina metala snažno reflektuje infracrveno svetlo talasne dužine od 10,6um (CO2), dok slabo reflektuje infracrveno svetlo talasne dužine od 1,06um (1060nm). Metalni materijali imaju veće stope apsorpcije za lasere kratke talasne dužine, kao što su plavo i zeleno svetlo.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – temperatura materijala i gustina energije lasera
Uzimajući za primjer aluminijsku leguru, kada je materijal čvrst, stopa apsorpcije lasera je oko 5-7%, stopa apsorpcije tekućine je do 25-35%, a može doseći i preko 90% u stanju ključaonice.
Brzina apsorpcije materijala u laseru raste s povećanjem temperature. Brzina apsorpcije metalnih materijala na sobnoj temperaturi je vrlo niska. Kada temperatura poraste blizu tačke topljenja, njena stopa apsorpcije može doseći 40%~60%. Ako je temperatura blizu tačke ključanja, njena stopa apsorpcije može dostići i do 90%.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – stanje površine
Konvencionalna stopa apsorpcije se mjeri upotrebom glatke metalne površine, ali u praktičnim primjenama laserskog grijanja, obično je potrebno povećati stopu apsorpcije određenih materijala visoke refleksije (aluminij, bakar) kako bi se izbjeglo lažno lemljenje uzrokovano velikom refleksijom;
Mogu se koristiti sljedeće metode:
1. Usvajanje odgovarajućih procesa prethodnog tretmana površine za poboljšanje refleksivnosti lasera: oksidacija prototipa, pjeskarenje, lasersko čišćenje, niklovanje, kalajisanje, grafitni premaz, itd. može poboljšati stopu apsorpcije lasera od materijala;
Suština je da se poveća hrapavost površine materijala (što je pogodno za višestruke laserske refleksije i apsorpciju), kao i da se poveća materijal premaza uz visoku stopu apsorpcije. Apsorbiranjem laserske energije i njenom topljenjem i isparavanjem kroz materijale visoke stope apsorpcije, laserska toplina se prenosi na osnovni materijal kako bi se poboljšala brzina apsorpcije materijala i smanjilo virtualno zavarivanje uzrokovano fenomenom visoke refleksije.
Vrijeme objave: 23.11.2023
