Interakcija između lasera i materijala uključuje mnoge fizičke pojave i karakteristike. Sljedeća tri članka će predstaviti tri ključna fizička fenomena povezana s procesom laserskog zavarivanja kako bi se kolegama pružilo jasnije razumijevanje...proces laserskog zavarivanja: podijeljeno na brzinu apsorpcije lasera i promjene stanja, plazmu i efekt ključaonice. Ovaj put ćemo ažurirati odnos između promjena stanja lasera i materijala i brzine apsorpcije.
Promjene u agregatnom stanju uzrokovane interakcijom između lasera i materijala
Laserska obrada metalnih materijala uglavnom se zasniva na termičkoj obradi fototermalnih efekata. Kada se lasersko zračenje primijeni na površinu materijala, pri različitim gustoćama snage dolazi do različitih promjena na površini materijala. Ove promjene uključuju porast temperature površine, topljenje, isparavanje, formiranje laserskih rupa i stvaranje plazme. Štaviše, promjene u fizičkom stanju površine materijala uveliko utiču na apsorpciju lasera od strane materijala. S povećanjem gustoće snage i vremena djelovanja, metalni materijal će proći kroz sljedeće promjene stanja:
Kadalaserska snagagustoća je niska (<10 ^ 4w/cm ^ 2) i vrijeme zračenja kratko, laserska energija koju apsorbira metal može uzrokovati samo porast temperature materijala od površine prema unutra, ali čvrsta faza ostaje nepromijenjena. Uglavnom se koristi za žarenje dijelova i obradu kaljenja faznom transformacijom, pri čemu se većina koristi za alate, zupčanike i ležajeve;
S povećanjem gustoće laserske snage (10^4-10^6w/cm^2) i produženjem vremena zračenja, površina materijala se postepeno topi. Kako se ulazna energija povećava, granica tekućina-čvrsto stanje se postepeno pomiče prema dubljem dijelu materijala. Ovaj fizički proces se uglavnom koristi za površinsko pretapanje, legiranje, platiranje i zavarivanje metala toplinskom provodljivošću.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 6w/cm ^ 2) i produžavanjem vremena djelovanja lasera, površina materijala se ne samo topi, već i isparava, a isparene tvari se skupljaju blizu površine materijala i slabo ioniziraju formirajući plazmu. Ova tanka plazma pomaže materijalu da apsorbira laser; Pod pritiskom isparavanja i širenja, površina tekućine se deformira i formira udubljenja. Ova faza se može koristiti za lasersko zavarivanje, obično kod spajanja mikrospojeva toplinskom provodljivošću unutar 0,5 mm.
Daljnjim povećanjem gustoće snage (>10 ^ 7w/cm ^ 2) i produžavanjem vremena zračenja, površina materijala podliježe snažnoj vaporizaciji, formirajući plazmu s visokim stepenom ionizacije. Ova gusta plazma ima zaštitni učinak na laser, značajno smanjujući gustoću energije lasera koji upada u materijal. Istovremeno, pod velikom silom reakcije pare, unutar rastopljenog metala formiraju se male rupe, obično poznate kao ključaonice. Postojanje ključaonica je korisno za materijal da apsorbuje laser, a ova faza se može koristiti za lasersko duboko zavarivanje, rezanje i bušenje, udarno kaljenje itd.
Pod različitim uslovima, različite talasne dužine laserskog zračenja na različitim metalnim materijalima rezultiraće specifičnim vrijednostima gustine snage u svakoj fazi.
Što se tiče apsorpcije lasera od strane materijala, isparavanje materijala predstavlja granicu. Kada materijal ne isparava, bilo u čvrstoj ili tečnoj fazi, njegova apsorpcija lasera se mijenja samo sporo s porastom površinske temperature; kada materijal ispari i formira plazmu i "ključaonice", apsorpcija lasera materijala će se naglo promijeniti.
Kao što je prikazano na Slici 2, stopa apsorpcije lasera na površini materijala tokom laserskog zavarivanja varira u zavisnosti od gustine snage lasera i temperature površine materijala. Kada se materijal ne topi, stopa apsorpcije materijala na laser se polako povećava sa porastom temperature površine materijala. Kada je gustina snage veća od (10^6w/cm^2), materijal se snažno isparava, formirajući ključaonicu. Laser ulazi u ključaonicu radi višestrukih refleksija i apsorpcije, što rezultira značajnim povećanjem stope apsorpcije materijala na laser i značajnim povećanjem dubine topljenja.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – talasna dužina
Gornja slika prikazuje krivulju odnosa između refleksivnosti, apsorbancije i talasne dužine uobičajeno korištenih metala na sobnoj temperaturi. U infracrvenom području, brzina apsorpcije se smanjuje, a refleksivnost raste s povećanjem talasne dužine. Većina metala snažno reflektuje infracrvenu svjetlost talasne dužine 10,6 μm (CO2), dok slabo reflektuje infracrvenu svjetlost talasne dužine 1,06 μm (1060 nm). Metalni materijali imaju veće brzine apsorpcije za lasere kratkih talasnih dužina, kao što su plava i zelena svjetlost.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – temperatura materijala i gustoća laserske energije
Uzimajući aluminijumsku leguru kao primjer, kada je materijal čvrst, stopa apsorpcije lasera je oko 5-7%, stopa apsorpcije tečnosti je do 25-35%, a u stanju ključaonice može doseći i preko 90%.
Stopa apsorpcije laserskog zračenja materijala povećava se s porastom temperature. Stopa apsorpcije metalnih materijala na sobnoj temperaturi je vrlo niska. Kada temperatura poraste do tačke topljenja, stopa apsorpcije može doseći 40%~60%. Ako je temperatura blizu tačke ključanja, stopa apsorpcije može doseći i do 90%.
Apsorpcija lasera metalnim materijalima – stanje površine
Konvencionalna stopa apsorpcije mjeri se korištenjem glatke metalne površine, ali u praktičnim primjenama laserskog zagrijavanja obično je potrebno povećati stopu apsorpcije određenih materijala s visokom refleksijom (aluminij, bakar) kako bi se izbjeglo lažno lemljenje uzrokovano visokom refleksijom;
Mogu se koristiti sljedeće metode:
1. Usvajanje odgovarajućih procesa prethodne obrade površine radi poboljšanja refleksije lasera: oksidacija prototipa, pjeskarenje, lasersko čišćenje, niklovanje, kalajisanje, grafitiranje itd. mogu poboljšati brzinu apsorpcije lasera materijala;
Suština je povećanje hrapavosti površine materijala (što pogoduje višestrukim laserskim refleksijama i apsorpciji), kao i povećanje stepena apsorpcije materijala premaza. Apsorpcijom laserske energije i njenim topljenjem i isparavanjem kroz materijale sa visokom stopom apsorpcije, laserska toplota se prenosi na osnovni materijal kako bi se poboljšala stopa apsorpcije materijala i smanjilo virtuelno zavarivanje uzrokovano fenomenom visoke refleksije.
Vrijeme objave: 23. novembar 2023.
