Interaktionen mellan laser och material involverar många fysiska fenomen och egenskaper. De kommande tre artiklarna kommer att introducera de tre fysiska nyckelfenomenen relaterade till lasersvetsningsprocessen för att ge kollegor en tydligare förståelse avlasersvetsprocess: uppdelad i laserabsorptionshastighet och förändringar i tillstånd, plasma och nyckelhålseffekt. Den här gången kommer vi att uppdatera förhållandet mellan förändringar i tillståndet för laser och material och absorptionshastighet.
Ändringar i materiens tillstånd orsakade av interaktionen mellan laser och material
Laserbehandlingen av metallmaterial är huvudsakligen baserad på termisk bearbetning av fototermiska effekter. När laserbestrålning appliceras på materialytan kommer olika förändringar att ske i materialets ytarea vid olika effekttätheter. Dessa förändringar inkluderar temperaturhöjning, smältning, förångning, nyckelhålsbildning och plasmagenerering. Dessutom påverkar förändringarna i det fysiska tillståndet hos materialytan i hög grad materialets absorption av laser. Med ökningen av effekttäthet och verkanstid kommer metallmaterialet att genomgå följande tillståndsförändringar:
Närlaserkraftdensiteten är låg (<10 ^ 4w/cm ^ 2) och bestrålningstiden är kort, laserenergin som absorberas av metallen kan bara få materialets temperatur att stiga från ytan till insidan, men den fasta fasen förblir oförändrad . Den används huvudsakligen för delglödgning och fasomvandlingshärdningsbehandling, där verktyg, kugghjul och lager är de flesta;
Med ökningen av lasereffekttätheten (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) och förlängningen av bestrålningstiden, smälter materialets yta gradvis. När den ingående energin ökar, rör sig vätske-fasta gränssnittet gradvis mot den djupa delen av materialet. Denna fysiska process används främst för ytomsmältning, legering, beklädnad och värmeledningssvetsning av metaller.
Genom att ytterligare öka effekttätheten (>10 ^ 6w/cm ^ 2) och förlänga laserverkanstiden, smälter materialytan inte bara utan förångas också, och de förångade ämnena samlas nära materialytan och joniseras svagt för att bilda ett plasma. Denna tunna plasma hjälper materialet att absorbera lasern; Under trycket av förångning och expansion deformeras vätskeytan och bildar gropar. Detta steg kan användas för lasersvetsning, vanligtvis vid skarvning av värmeledningssvetsning av mikroanslutningar inom 0,5 mm.
Genom att ytterligare öka effekttätheten (>10 ^ 7w/cm ^ 2) och förlänga bestrålningstiden, genomgår materialytan kraftig förångning, vilket bildar ett plasma med hög joniseringsgrad. Denna täta plasma har en avskärmande effekt på lasern, vilket kraftigt minskar energitätheten hos lasern som faller in i materialet. Samtidigt, under en stor ångreaktionskraft, bildas små hål, allmänt kända som nyckelhål, inuti den smälta metallen. Förekomsten av nyckelhål är fördelaktigt för materialet att absorbera laser, och detta steg kan användas för laserdjupfusion svetsning, skärning och borrning, slaghärdning m.m.
Under olika förhållanden kommer olika våglängder av laserbestrålning på olika metallmaterial att resultera i specifika värden på effekttäthet i varje steg.
När det gäller absorption av laser av material är förångningen av material en gräns. När materialet inte genomgår förångning, vare sig det är i fast eller flytande fas, ändras dess absorption av laser endast långsamt med ökningen av yttemperaturen; När materialet väl förångas och bildar plasma och nyckelhål kommer materialets absorption av laser plötsligt att förändras.
Såsom visas i figur 2 varierar absorptionshastigheten för laser på materialytan under lasersvetsning med laserns effekttäthet och materialytans temperatur. När materialet inte smälts, ökar absorptionshastigheten för materialet till lasern långsamt med ökningen av materialets yttemperatur. När effekttätheten är större än (10 ^ 6w/cm ^ 2), förångas materialet våldsamt och bildar ett nyckelhål. Lasern går in i nyckelhålet för flera reflektioner och absorption, vilket resulterar i en signifikant ökning av materialets absorptionshastighet till lasern och en betydande ökning av smältdjupet.
Absorption av laser av metallmaterial – våglängd
Ovanstående figur visar sambandskurvan mellan reflektiviteten, absorbansen och våglängden hos vanliga metaller vid rumstemperatur. I det infraröda området minskar absorptionshastigheten och reflektionsförmågan ökar med ökningen av våglängden. De flesta metaller reflekterar starkt 10,6um (CO2) våglängd infrarött ljus medan svagt reflekterar 1,06um (1060nm) våglängd infrarött ljus. Metallmaterial har högre absorptionshastigheter för kortvågiga lasrar, såsom blått och grönt ljus.
Absorption av laser av metallmaterial – Materialtemperatur och laserenergitäthet
Om man tar en aluminiumlegering som ett exempel, när materialet är fast, är laserabsorptionshastigheten cirka 5-7%, vätskeabsorptionshastigheten är upp till 25-35%, och den kan nå över 90% i nyckelhålstillståndet.
Absorptionshastigheten för materialet till lasern ökar med ökande temperatur. Absorptionshastigheten för metallmaterial vid rumstemperatur är mycket låg. När temperaturen stiger till nära smältpunkten kan dess absorptionshastighet nå 40% ~ 60%. Om temperaturen är nära kokpunkten kan dess absorptionshastighet nå så hög som 90 %.
Absorption av laser av metallmaterial – yttillstånd
Den konventionella absorptionshastigheten mäts med hjälp av en slät metallyta, men i praktiska tillämpningar av laseruppvärmning är det vanligtvis nödvändigt att öka absorptionshastigheten för vissa högreflekterande material (aluminium, koppar) för att undvika falsk lödning orsakad av hög reflektion;
Följande metoder kan användas:
1. Att anta lämpliga ytförbehandlingsprocesser för att förbättra laserns reflektivitet: prototypoxidation, sandblästring, laserrengöring, nickelplätering, tennplätering, grafitbeläggning, etc. kan alla förbättra materialets absorptionshastighet för laser;
Kärnan är att öka råheten på materialytan (vilket bidrar till flera laserreflektioner och absorption), samt att öka beläggningsmaterialet med hög absorptionshastighet. Genom att absorbera laserenergi och smälta och förånga den genom material med hög absorptionshastighet, överförs laservärme till basmaterialet för att förbättra materialabsorptionshastigheten och minska den virtuella svetsningen som orsakas av fenomen med hög reflektion.
Posttid: 2023-nov-23
