Samspelet mellan laser och material involverar många fysikaliska fenomen och egenskaper. De följande tre artiklarna kommer att introducera de tre viktigaste fysikaliska fenomenen relaterade till lasersvetsprocessen för att ge kollegor en tydligare förståelse av...lasersvetsningsprocess: uppdelat i laserabsorptionshastighet och tillståndsförändringar, plasma och nyckelhålseffekt. Den här gången kommer vi att uppdatera sambandet mellan förändringar i laserns och materialens tillstånd samt absorptionshastigheten.
Förändringar i materiens tillstånd orsakade av interaktionen mellan laser och material
Laserbearbetning av metallmaterial baseras huvudsakligen på termisk bearbetning av fototermiska effekter. När laserbestrålning appliceras på materialytan kommer olika förändringar att ske i materialets yta vid olika effekttätheter. Dessa förändringar inkluderar yttemperaturökning, smältning, förångning, nyckelhålsbildning och plasmagenerering. Dessutom påverkar förändringarna i materialets fysiska tillstånd i hög grad materialets absorption av laser. Med ökningen av effekttäthet och verkningstid kommer metallmaterialet att genomgå följande tillståndsförändringar:
När denlaserkraftdensiteten är låg (<10 ^ 4w/cm ^ 2) och bestrålningstiden är kort, laserenergin som absorberas av metallen kan bara orsaka att materialets temperatur stiger från ytan till insidan, men den fasta fasen förblir oförändrad. Det används huvudsakligen för glödgning av delar och fasomvandlingshärdning, med verktyg, kugghjul och lager som huvudsakliga material;
Med ökningen av laserns effekttäthet (10^4-10^6w/cm^2) och förlängningen av bestrålningstiden smälter materialets yta gradvis. När inmatningsenergin ökar rör sig gränsytan mellan vätska och fast material gradvis mot den djupare delen av materialet. Denna fysikaliska process används huvudsakligen för ytomsmältning, legering, beklädnad och värmeledningssvetsning av metaller.
Genom att ytterligare öka effekttätheten (>10 ^ 6w/cm^2) och förlänga laserns verkningstid, smälter materialytan inte bara utan förångas även, och de förångade ämnena samlas nära materialytan och joniserar svagt för att bilda ett plasma. Detta tunna plasma hjälper materialet att absorbera lasern; Under förångnings- och expansionstrycket 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 en stark förångning, vilket bildar ett plasma med hög joniseringsgrad. Detta täta plasma har en avskärmande effekt på lasern, vilket kraftigt minskar energitätheten hos lasern som infaller i materialet. Samtidigt, under en stor ångreaktionskraft, bildas små hål, allmänt kända som nyckelhål, inuti den smälta metallen. Förekomsten av nyckelhål är fördelaktig för materialet att absorbera laser, och detta steg kan användas för laserdjupsvetsning, skärning och borrning, slagsegling etc.
Under olika förhållanden kommer olika våglängder för laserbestrålning på olika metallmaterial att resultera i specifika värden för effekttäthet i varje steg.
När det gäller materials absorption av laser är förångningen av material en gräns. När materialet inte genomgår förångning, vare sig i fast eller flytande fas, förändras dess absorption av laser endast långsamt med ökande yttemperatur; när materialet förångas och bildar plasma och nyckelhål, kommer materialets absorption av laser plötsligt att förändras.
Som visas i figur 2 varierar laserns absorptionshastighet på materialytan under lasersvetsning med laserns effekttäthet och materialets yttemperatur. När materialet inte smälter ökar materialets absorptionshastighet till lasern långsamt med ökande materialytetemperatur. När effekttätheten är större än (10 ^ 6w/cm ^ 2) förångas materialet våldsamt och bildar ett nyckelhål. Lasern kommer in i nyckelhålet för flera reflektioner och absorption, vilket resulterar i en betydande ökning av materialets absorptionshastighet till lasern och en betydande ökning av smältdjupet.
Absorption av laser av metallmaterial – våglängd
Figuren ovan visar förhållandet mellan reflektivitet, absorbans och våglängd för vanligt förekommande metaller vid rumstemperatur. I det infraröda området minskar absorptionshastigheten och reflektiviteten ökar med ökande våglängd. De flesta metaller reflekterar starkt infrarött ljus med en våglängd på 10,6 µm (CO2) medan de svagt reflekterar infrarött ljus med en våglängd på 1,06 µm (1060 nm). Metallmaterial har högre absorptionshastigheter för kortvågiga lasrar, såsom blått och grönt ljus.
Absorption av laser av metallmaterial – Materialtemperatur och laserenergitäthet
Om vi tar aluminiumlegering som exempel, när materialet är fast, är laserabsorptionshastigheten cirka 5-7%, vätskeabsorptionshastigheten är upp till 25-35%, och den kan nå över 90% i nyckelhålstillstånd.
Materialets absorptionshastighet till lasern ökar med ökande temperatur. Absorptionshastigheten för metallmaterial vid rumstemperatur är mycket låg. När temperaturen stiger till nära smältpunkten kan absorptionshastigheten nå 40 % ~ 60 %. Om temperaturen är nära kokpunkten kan absorptionshastigheten nå så hög som 90 %.
Absorption av laser av metallmaterial – ytbeskaffenhet
Den konventionella absorptionshastigheten mäts med 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. Användning av lämpliga ytbehandlingsprocesser för att förbättra laserns reflektionsförmåga: prototypoxidation, sandblästring, laserrengöring, nickelplätering, tennplätering, grafitbeläggning etc. kan alla förbättra materialets absorptionshastighet för lasern;
Kärnan är att öka ytans grovhet (vilket bidrar till multipla laserreflektioner och absorption), samt att öka beläggningsmaterialets höga absorptionshastighet. Genom att absorbera laserenergi och smälta och förånga den genom material med hög absorptionshastighet överförs laservärme till basmaterialet för att förbättra materialets absorptionshastighet och minska den virtuella svetsningen som orsakas av högreflektionsfenomenet.
Publiceringstid: 23 november 2023
