Laserabsorpsjonshastighet og endringer i materiens tilstand ved lasermaterialeinteraksjon

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 avlasersveiseprosess: delt inn i laserabsorpsjonshastighet og endringer i tilstand, plasma og nøkkelhullseffekt. Denne gangen vil vi oppdatere forholdet mellom endringer i laserens og materialenes tilstand og absorpsjonshastighet.

Endringer i materiens tilstand forårsaket av samspillet mellom laser og materialer

Laserbehandling 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 økning i overflatetemperatur, smelting, fordampning, nøkkelhullsdannelse og plasmagenerering. Dessuten påvirker endringene i den fysiske tilstanden til materialoverflaten materialets absorpsjon av laser i stor grad. Med økningen av effekttetthet og virkningstid vil metallmaterialet gjennomgå følgende tilstandsendringer:

NårlaserkraftTettheten er lav (<10 ^ 4w/cm^2) og bestrålingstiden er kort. Laserenergien som absorberes av metallet kan bare føre til at temperaturen på materialet stiger fra overflaten og innover, men den faste fasen forblir uendret. Den brukes hovedsakelig til gløding av deler og fasetransformasjonsherding, med verktøy, gir og lagre som hoveddel.

Med økningen av laserens effekttetthet (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm^2) og forlengelsen av bestrålingstiden, smelter materialets overflate gradvis. Etter hvert som tilførselsenergien øker, beveger væske-faststoff-grensesnittet seg gradvis mot den dype delen av materialet. Denne fysiske prosessen brukes hovedsakelig til overflatesmelting, legering, kledning og varmeledningssveising av metaller.

Ved å øke effekttettheten ytterligere (>10 ^ 6w/cm^2) og forlenge laserens virkningstid, smelter ikke bare materialoverflaten, men fordamper også, og de fordampede stoffene samles nær materialoverflaten og ioniseres svakt for å danne et plasma. Dette tynne plasmaet hjelper materialet med å absorbere laseren. Under fordampnings- og ekspansjonstrykk deformeres væskeoverflaten og danner groper. Dette trinnet kan brukes til lasersveising, vanligvis i skjøting av varmeledningsevnesveising av mikroforbindelser innenfor 0,5 mm.

Ved å øke effekttettheten ytterligere (>10 ^ 7w/cm^2) og forlenge bestrålingstiden, gjennomgår materialoverflaten sterk fordampning, og danner et plasma med høy ioniseringsgrad. Dette tette plasmaet har en skjermende effekt på laseren, noe som reduserer energitettheten til laseren som treffer materialet betraktelig. Samtidig, under en stor dampreaksjonskraft, dannes små hull, ofte kjent som nøkkelhull, inne i det smeltede metallet. Tilstedeværelsen av nøkkelhull er gunstig for at materialet skal absorbere laser, og dette trinnet kan brukes til laserdypsmeltesveising, skjæring og boring, slagherding, etc.

Under forskjellige forhold vil forskjellige bølgelengder av laserbestråling på forskjellige metallmaterialer resultere i spesifikke verdier for effekttetthet i hvert trinn.

Når det gjelder absorpsjon av laser av materialer, er fordampning av materialer en grense. Når materialet ikke fordamper, enten i fast eller flytende fase, endres absorpsjonen av laser bare sakte med økende overflatetemperatur. Når materialet fordamper og danner plasma og nøkkelhull, vil materialets absorpsjon av laser plutselig endre seg.

Som vist i figur 2 varierer absorpsjonshastigheten til laseren på materialoverflaten under lasersveising med laserens effekttetthet og materialoverflatetemperatur. Når materialet ikke er smeltet, øker absorpsjonshastigheten til materialet til laseren sakte med økningen av materialoverflatetemperaturen. Når effekttettheten 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 reflektivitet, absorbans og bølgelengde for vanlige metaller ved romtemperatur. I det infrarøde området synker absorpsjonshastigheten, og reflektiviteten øker med økende bølgelengde. De fleste metaller reflekterer sterkt infrarødt lys med en bølgelengde på 10,6 µm (CO2), mens de reflekterer svakt infrarødt lys med en bølgelengde på 1,06 µm (1060 nm). Metallmaterialer har høyere absorpsjonshastigheter for kortbølgede lasere, som blått og grønt lys.

Absorpsjon av laser av metallmaterialer – materialtemperatur og laserenergitetthet

Hvis vi tar 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 nøkkelhullstilstand.

Materialets absorpsjonshastighet for laseren øker med økende temperatur. Absorpsjonshastigheten for metallmaterialer er svært lav ved romtemperatur. Når temperaturen stiger til nær smeltepunktet, kan absorpsjonshastigheten nå 40 % ~ 60 %. Hvis temperaturen er nær kokepunktet, kan absorpsjonshastigheten nå så høy 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 materialer med høy refleksjon (aluminium, kobber) for å unngå falsk lodding forårsaket av høy refleksjon;

Følgende metoder kan brukes:

1. Ved å bruke passende overflatebehandlingsprosesser for å forbedre laserens reflektivitet: prototypeoksidasjon, sandblåsing, laserrensing, nikkelbelegg, tinnbelegg, grafittbelegg osv. kan alle forbedre materialets absorpsjonshastighet for laseren;

Kjernen er å øke ruheten på materialoverflaten (som bidrar til flere laserrefleksjoner og absorpsjon), samt å øke absorpsjonshastigheten til beleggmaterialet. Ved å absorbere laserenergi og smelte og fordampe den gjennom materialer med høy absorpsjonshastighet, overføres laservarme til basismaterialet for å forbedre materialets absorpsjonshastighet og redusere den virtuelle sveisingen forårsaket av høyrefleksjonsfenomenet.