Interakce mezi laserem a materiály zahrnuje mnoho fyzikálních jevů a charakteristik. Následující tři články představí tři klíčové fyzikální jevy související s procesem laserového svařování, aby kolegům poskytly jasnější pochopeníproces laserového svařování: dělí se na rychlost absorpce laseru a změny stavu, plazmový a klíčový efekt. Tentokrát aktualizujeme vztah mezi změnami stavu laseru a materiálů a rychlostí absorpce.
Změny stavu hmoty způsobené interakcí mezi laserem a materiály
Laserové zpracování kovových materiálů je založeno především na tepelném zpracování fototermálních efektů. Když se na povrch materiálu aplikuje laserové záření, dojde k různým změnám v povrchové ploše materiálu při různých hustotách výkonu. Tyto změny zahrnují nárůst povrchové teploty, tání, odpařování, tvorbu klíčových dírek a tvorbu plazmy. Navíc změny ve fyzickém stavu povrchu materiálu značně ovlivňují absorpci laseru materiálem. S nárůstem hustoty výkonu a doby působení podstoupí kovový materiál následující změny stavu:
Kdyžvýkon laseruhustota je nízká (<10 ^ 4w/cm ^ 2) a doba ozařování je krátká, energie laseru absorbovaná kovem může způsobit pouze zvýšení teploty materiálu od povrchu dovnitř, ale pevná fáze zůstává nezměněna . Používá se hlavně pro žíhání součástí a kalení s fázovou transformací, přičemž většinu tvoří nástroje, ozubená kola a ložiska;
Se zvyšováním hustoty výkonu laseru (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) a prodlužováním doby ozařování se povrch materiálu postupně taví. Se zvyšující se vstupní energií se rozhraní kapalina-pevná látka postupně posouvá směrem k hluboké části materiálu. Tento fyzikální proces se používá hlavně pro povrchové přetavování, legování, plátování a tepelně vodivé svařování kovů.
Dalším zvýšením hustoty výkonu (>10 ^ 6w/cm ^ 2) a prodloužením doby působení laseru se povrch materiálu nejen roztaví, ale také odpaří a odpařené látky se shromažďují v blízkosti povrchu materiálu a slabě ionizují za vzniku plazmy. Toto tenké plazma pomáhá materiálu absorbovat laser; Pod tlakem vypařování a expanze se povrch kapaliny deformuje a tvoří důlky. Tento stupeň lze použít pro laserové svařování, obvykle při spojování tepelnou vodivostí mikrospojů do 0,5 mm.
Dalším zvýšením hustoty výkonu (>10 ^ 7w/cm ^ 2) a prodloužením doby ozařování dochází k silnému odpařování povrchu materiálu, čímž vzniká plazma s vysokým stupněm ionizace. Tato hustá plazma má na laser stínící účinek a značně snižuje hustotu energie laseru dopadajícího do materiálu. Současně se pod velkou reakční silou páry uvnitř roztaveného kovu vytvářejí malé otvory, běžně známé jako klíčové dírky, Existence klíčových dírek je pro materiál prospěšná pro absorbování laseru a tento stupeň lze použít pro laserovou hlubokou fúzi svařování, řezání a vrtání, rázové kalení atd.
Za různých podmínek povedou různé vlnové délky laserového záření na různé kovové materiály ke specifickým hodnotám hustoty výkonu v každém stupni.
Z hlediska absorpce laseru materiály je odpařování materiálů hranicí. Když materiál neprochází odpařováním, ať už v pevné nebo kapalné fázi, jeho absorpce laserem se mění jen pomalu se zvyšováním povrchové teploty; Jakmile se materiál odpaří a vytvoří plazmu a klíčové dírky, materiálová absorpce laseru se náhle změní.
Jak je znázorněno na obrázku 2, míra absorpce laseru na povrchu materiálu během laserového svařování se mění s hustotou výkonu laseru a teplotou povrchu materiálu. Když se materiál neroztaví, rychlost absorpce materiálu laserem se pomalu zvyšuje se zvyšováním povrchové teploty materiálu. Když je hustota výkonu větší než (10 ^ 6w/cm ^ 2), materiál se prudce vypařuje a vytváří klíčovou dírku. Laser vstupuje do klíčové dírky pro mnohonásobné odrazy a absorpci, což má za následek výrazné zvýšení rychlosti absorpce materiálu laserem a výrazné zvýšení hloubky tavení.
Absorpce laseru kovovými materiály – vlnová délka
Výše uvedený obrázek ukazuje závislostní křivku mezi odrazivostí, absorbancí a vlnovou délkou běžně používaných kovů při pokojové teplotě. V infračervené oblasti se rychlost absorpce snižuje a odrazivost se zvyšuje s rostoucí vlnovou délkou. Většina kovů silně odráží infračervené světlo o vlnové délce 10,6 um (CO2), zatímco infračervené světlo o vlnové délce 1,06 um (1060 nm) slabě odráží. Kovové materiály mají vyšší absorpční rychlosti pro lasery s krátkou vlnovou délkou, jako je modré a zelené světlo.
Absorpce laseru kovovými materiály – teplota materiálu a hustota energie laseru
Vezmeme-li jako příklad hliníkovou slitinu, když je materiál pevný, míra absorpce laseru je kolem 5-7 %, míra absorpce kapaliny je až 25-35 % a ve stavu klíčové dírky může dosáhnout více než 90 %.
Rychlost absorpce materiálu do laseru se zvyšuje s rostoucí teplotou. Míra absorpce kovových materiálů při pokojové teplotě je velmi nízká. Když teplota stoupne blízko bodu tání, jeho absorpce může dosáhnout 40%~60%. Pokud je teplota blízká bodu varu, může jeho absorpce dosáhnout až 90 %.
Absorpce laseru kovovými materiály – stav povrchu
Konvenční míra absorpce se měří pomocí hladkého kovového povrchu, ale v praktických aplikacích laserového ohřevu je obvykle nutné zvýšit míru absorpce určitých materiálů s vysokou odrazivostí (hliník, měď), aby se zabránilo falešnému pájení způsobenému vysokým odrazem;
Lze použít následující metody:
1. Přijetí vhodných procesů předúpravy povrchu pro zlepšení odrazivosti laseru: oxidace prototypu, pískování, čištění laserem, niklování, pocínování, grafitové potahování atd. mohou zlepšit míru absorpce laseru materiálu;
Jádrem je zvýšit drsnost povrchu materiálu (což vede k mnohonásobným laserovým odrazům a absorpci), stejně jako zvýšit potahový materiál s vysokou mírou absorpce. Absorpcí laserové energie a jejím roztavením a odpařením prostřednictvím materiálů s vysokou mírou absorpce se laserové teplo přenáší na základní materiál, aby se zlepšila míra absorpce materiálu a snížilo se virtuální svařování způsobené jevem vysokého odrazu.
Čas odeslání: 23. listopadu 2023
