Samspillet mellom laser og materialer involverer mange fysiske fenomener og egenskaper. De neste tre artiklene vil introdusere de tre viktigste fysiske fenomenene knyttet til lasersveiseprosessen for å gi kolleger en klarere forståelse avlaser sveiseprosess: delt inn i laserabsorpsjonshastighet og endringer i tilstand, plasma og nøkkelhulleffekt. Denne gangen vil vi oppdatere forholdet mellom endringer i tilstanden til laser og materialer og absorpsjonshastighet.
Endringer i materiens tilstand forårsaket av interaksjonen mellom laser og materialer
Laserbehandlingen av metallmaterialer er hovedsakelig basert på termisk behandling av fototermiske effekter. Når laserbestråling påføres materialoverflaten, vil det oppstå ulike endringer i materialets overflateareal ved forskjellige effekttettheter. Disse endringene inkluderer overflatetemperaturstigning, smelting, fordamping, nøkkelhulldannelse og plasmagenerering. Dessuten påvirker endringene i den fysiske tilstanden til materialets overflate i stor grad materialets absorpsjon av laser. Med økningen av krafttetthet og handlingstid vil metallmaterialet gjennomgå følgende tilstandsendringer:
Nårlaserkrafttettheten er lav (<10 ^ 4w/cm ^ 2) og bestrålingstiden er kort, laserenergien absorbert av metallet kan bare føre til at temperaturen på materialet stiger fra overflaten til innsiden, men den faste fasen forblir uendret . Den brukes hovedsakelig til delgløding og fasetransformasjonsherdingsbehandling, med verktøy, tannhjul og lagre som de fleste;
Med økningen av lasereffekttettheten (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) og forlengelsen av bestrålingstiden, smelter overflaten av materialet gradvis. Etter hvert som tilførselsenergien øker, beveger grensesnittet væske-faststoff seg gradvis mot den dype delen av materialet. Denne fysiske prosessen brukes hovedsakelig til overflateomsmelting, legering, kledning og termisk ledningsevnesveising av metaller.
Ved ytterligere å øke effekttettheten (>10 ^ 6w/cm ^ 2) og forlenge laserhandlingstiden, smelter materialoverflaten ikke bare, men fordamper også, og de fordampede stoffene samles nær materialoverflaten og ioniserer svakt for å danne et plasma. Dette tynne plasmaet hjelper materialet med å absorbere laseren; Under trykket av fordampning og ekspansjon deformeres væskeoverflaten og danner groper. Dette trinnet kan brukes til lasersveising, vanligvis ved spleising av termisk ledningsevnesveising av mikroforbindelser innenfor 0,5 mm.
Ved ytterligere å øke effekttettheten (>10 ^ 7w/cm ^ 2) og forlenge bestrålingstiden, gjennomgår materialoverflaten sterk fordamping, og danner et plasma med høy ioniseringsgrad. Dette tette plasmaet har en skjermende effekt på laseren, og reduserer energitettheten til laseren som faller inn i materialet. Samtidig, under en stor dampreaksjonskraft, dannes små hull, vanligvis kjent som nøkkelhull, inne i det smeltede metallet. Eksistensen av nøkkelhull er gunstig for materialet til å absorbere laser, og dette trinnet kan brukes til laser dyp fusjon sveising, skjæring og boring, slagherding m.m.
Under forskjellige forhold vil forskjellige bølgelengder av laserbestråling på forskjellige metallmaterialer resultere i spesifikke verdier av effekttetthet på hvert trinn.
Når det gjelder absorpsjon av laser av materialer, er fordamping av materialer en grense. Når materialet ikke gjennomgår fordamping, enten det er i fast eller flytende fase, endres dets absorpsjon av laser bare sakte med økningen av overflatetemperaturen; Når materialet fordamper og danner plasma og nøkkelhull, vil materialets absorpsjon av laser plutselig endres.
Som vist i figur 2, varierer absorpsjonshastigheten til laser på materialoverflaten under lasersveising med lasereffekttetthet og materialoverflatetemperatur. Når materialet ikke er smeltet, øker absorpsjonshastigheten til materialet til laseren sakte med økningen av materialets overflatetemperatur. Når krafttettheten er større enn (10 ^ 6w/cm ^ 2), fordamper materialet voldsomt og danner et nøkkelhull. Laseren går inn i nøkkelhullet for flere refleksjoner og absorpsjon, noe som resulterer i en betydelig økning i materialets absorpsjonshastighet til laseren og en betydelig økning i smeltedybden.
Absorpsjon av laser av metallmaterialer – Bølgelengde
Figuren ovenfor viser forholdskurven mellom reflektiviteten, absorbansen og bølgelengden til vanlig brukte metaller ved romtemperatur. I det infrarøde området synker absorpsjonshastigheten og reflektiviteten øker med økningen av bølgelengden. De fleste metaller reflekterer sterkt infrarødt lys med en bølgelengde på 10,6 um (CO2), mens det infrarøde lys med en bølgelengde på 1,06 um (1060nm) svakt reflekteres. Metallmaterialer har høyere absorpsjonshastigheter for lasere med kort bølgelengde, for eksempel blått og grønt lys.
Absorpsjon av laser av metallmaterialer – Materialtemperatur og laserenergitetthet
For å ta en aluminiumslegering som et eksempel, når materialet er solid, er laserabsorpsjonshastigheten rundt 5-7%, væskeabsorpsjonshastigheten er opptil 25-35%, og den kan nå over 90% i nøkkelhulltilstanden.
Absorpsjonshastigheten til materialet til laseren øker med økende temperatur. Absorpsjonshastigheten til metallmaterialer ved romtemperatur er svært lav. Når temperaturen stiger til nær smeltepunktet, kan absorpsjonshastigheten nå 40% ~ 60%. Hvis temperaturen er nær kokepunktet, kan absorpsjonshastigheten nå så høyt som 90%.
Absorpsjon av laser av metallmaterialer – Overflatetilstand
Den konvensjonelle absorpsjonshastigheten måles ved hjelp av en glatt metalloverflate, men i praktiske anvendelser av laseroppvarming er det vanligvis nødvendig å øke absorpsjonshastigheten til visse høyrefleksjonsmaterialer (aluminium, kobber) for å unngå falsk lodding forårsaket av høy refleksjon;
Følgende metoder kan brukes:
1. Ved å ta i bruk passende overflateforbehandlingsprosesser for å forbedre reflektiviteten til laser: prototypeoksidasjon, sandblåsing, laserrensing, nikkelbelegg, tinnbelegg, grafittbelegg, etc. kan alle forbedre materialets absorpsjonshastighet av laser;
Kjernen er å øke ruheten til materialoverflaten (som bidrar til flere laserrefleksjoner og absorpsjon), samt å øke beleggmaterialet med høy absorpsjonshastighet. Ved å absorbere laserenergi og smelte og fordampe den gjennom materialer med høy absorpsjonshastighet, overføres laservarme til grunnmaterialet for å forbedre materialets absorpsjonshastighet og redusere den virtuelle sveisingen forårsaket av fenomenet med høy refleksjon.
Innleggstid: 23. november 2023
