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 kolegové lépe pochopili...proces laserového svařování: rozděleno na rychlost absorpce laseru a změny skupenství, plazma a efekt klíčové dírky. Tentokrát aktualizujeme vztah mezi změnami stavu laseru a materiálů a rychlostí absorpce.
Změny skupenství hmoty způsobené interakcí mezi laserem a materiály
Laserové zpracování kovových materiálů je založeno především na tepelném zpracování fototermálních efektů. Když je na povrch materiálu aplikováno laserové záření, dochází při různých hustotách výkonu k různým změnám na jeho povrchu. Mezi tyto změny patří zvýšení povrchové teploty, tavení, odpařování, tvorba spirál a generování plazmatu. Změny fyzikálního stavu povrchu materiálu navíc výrazně ovlivňují absorpci laseru materiálem. Se zvyšující se hustotou výkonu a dobou působení dochází u kovového materiálu k následujícím změnám stavu:
Kdyžlaserový výkonhustota je nízká (<10^4w/cm^2) a doba ozáření je krátká, laserová energie absorbovaná kovem může způsobit pouze zvýšení teploty materiálu od povrchu dovnitř, ale pevná fáze zůstává nezměněna. Používá se hlavně pro žíhání dílů a fázově transformační kalení, přičemž většinu tvoří nástroje, ozubená kola a ložiska;
Se zvyšující se hustotou výkonu laseru (10^4-10^6 W/cm^2) a prodlužující se dobou ozařování se povrch materiálu postupně taví. S rostoucí vstupní energií se rozhraní kapalina-pevná látka postupně posouvá směrem k hlubším částem materiálu. Tento fyzikální proces se používá hlavně pro povrchové přetavování, legování, plátování a svařování kovů tepelnou vodivostí.
Dalším zvýšením hustoty výkonu (>10^6 W/cm^2) a prodloužením doby působení laseru se povrch materiálu nejen taví, ale také odpařuje. Odpařené látky se shromažďují v blízkosti povrchu materiálu a slabě ionizují za vzniku plazmy. Tato tenká plazma pomáhá materiálu absorbovat laser. Pod tlakem odpařování a expanze se povrch kapaliny deformuje a tvoří se důlky. Tuto fázi lze použít pro laserové svařování, obvykle při svařování tepelnou vodivostí mikrospojů do 0,5 mm.
Dalším zvýšením hustoty výkonu (>10^7 W/cm^2) a prodloužením doby ozařování dochází k silnému odpařování povrchu materiálu, čímž vzniká plazma s vysokým stupněm ionizace. Tato hustá plazma má stínící účinek na laser, čímž výrazně snižuje hustotu energie laseru dopadajícího na materiál. Zároveň se v roztaveném kovu vlivem velké reakční síly páry vytvářejí malé otvory, běžně známé jako klíčové díry. Existence klíčových dírek je výhodná pro absorpci laseru materiálem a tento stupeň lze využít pro laserové hluboké svařování, řezání a vrtání, rázové kalení atd.
Za různých podmínek povedou různé vlnové délky laserového ozařování různých kovových materiálů ke specifickým hodnotám hustoty výkonu v každém stupni.
Pokud jde o absorpci laserového záření materiály, je odpařování materiálů hranicí. Pokud se materiál neodpařuje, ať už v pevné nebo kapalné fázi, jeho absorpce laserového záření se mění s rostoucí povrchovou teplotou jen pomalu. Jakmile se materiál odpaří a vytvoří plazma a spirály, absorpce laserového záření materiálem se náhle změní.
Jak je znázorněno na obrázku 2, absorpční rychlost laseru na povrchu materiálu během laserového svařování se mění s hustotou výkonu laseru a teplotou povrchu materiálu. Pokud materiál není roztavený, absorpční rychlost materiálu pro laser pomalu roste se zvyšující se teplotou povrchu materiálu. Pokud je hustota výkonu větší než (10^6 W/cm^2), materiál se prudce odpařuje a vytváří klíčovou díru. Laser vstupuje do klíčové díry a několikrát se odráží a absorbuje, což vede k významnému zvýšení absorpční rychlosti materiálu pro laser a významnému zvýšení hloubky tavení.
Absorpce laseru kovovými materiály – vlnová délka
Výše uvedený obrázek znázorňuje křivku vztahu mezi odrazivostí, absorbancí a vlnovou délkou běžně používaných kovů při pokojové teplotě. V infračervené oblasti se absorpční rychlost snižuje a odrazivost zvyšuje se zvyšující se vlnovou délkou. Většina kovů silně odráží infračervené světlo o vlnové délce 10,6 μm (CO2), zatímco slabě odráží infračervené světlo o vlnové délce 1,06 μm (1060 nm). Kovové materiály mají vyšší absorpční rychlost pro lasery s krátkou vlnovou délkou, jako je modré a zelené světlo.
Absorpce laseru kovovými materiály – teplota materiálu a hustota laserové energie
Vezměme si jako příklad hliníkovou slitinu. Pokud je materiál v pevném stavu, je míra absorpce laseru okolo 5-7 %, míra absorpce kapaliny až 25-35 % a ve stavu s otevřenou hlavou může dosáhnout i více než 90 %.
Míra absorpce laserového záření materiálu se zvyšuje se zvyšující se teplotou. Míra absorpce kovových materiálů je při pokojové teplotě velmi nízká. Když teplota stoupne k bodu tání, může dosáhnout 40 % až 60 %. Pokud se teplota blíží bodu varu, může dosáhnout až 90 %.
Absorpce laseru kovovými materiály – stav povrchu
Konvenční absorpční rychlost se měří pomocí hladkého kovového povrchu, ale v praktických aplikacích laserového ohřevu je obvykle nutné zvýšit absorpční rychlost některých materiálů s vysokým odrazem (hliník, měď), aby se zabránilo falešnému pájení způsobenému vysokým odrazem;
Lze použít následující metody:
1. Použití vhodných procesů předúpravy povrchu pro zlepšení odrazivosti laseru: oxidace prototypů, pískování, čištění laserem, niklování, cínování, grafitování atd., to vše může zlepšit absorpční rychlost laseru materiálem;
Jádrem je zvýšení drsnosti povrchu materiálu (což vede k vícenásobným laserovým odrazům a absorpci) a také zvýšení absorpčního výkonu povlakového materiálu. Absorpcí laserové energie a jejím tavením a odpařováním prostřednictvím materiálů s vysokou absorpční rychlostí se laserové teplo přenáší na základní materiál, čímž se zlepšuje absorpční rychlost materiálu a snižuje se virtuální svařování způsobené vysokým odrazem.
Čas zveřejnění: 23. listopadu 2023
