Interakcija med laserjem in materiali vključuje številne fizikalne pojave in značilnosti. Naslednji trije članki bodo predstavili tri ključne fizikalne pojave, povezane z laserskim varjenjem, da bi kolegom zagotovili jasnejše razumevanjepostopek laserskega varjenja: razdeljen na hitrost absorpcije laserja in spremembe stanja, plazmo in učinek ključavnice. Tokrat bomo posodobili razmerje med spremembami stanja laserja in materialov ter stopnjo absorpcije.
Spremembe agregatnega stanja zaradi interakcije med laserjem in materiali
Laserska obdelava kovinskih materialov temelji predvsem na termični obdelavi fototermičnih učinkov. Ko se na površino materiala nanese lasersko obsevanje, pride do različnih sprememb na površini materiala pri različnih gostotah moči. Te spremembe vključujejo dvig površinske temperature, taljenje, izhlapevanje, nastanek ključavnic in nastajanje plazme. Poleg tega spremembe fizičnega stanja površine materiala močno vplivajo na absorpcijo laserja v materialu. S povečanjem gostote moči in časa delovanja bo kovinski material podvržen naslednjim spremembam stanja:
Ko jemoč laserjagostota je nizka (<10 ^ 4w/cm ^ 2) in čas obsevanja je kratek, laserska energija, ki jo absorbira kovina, lahko povzroči le dvig temperature materiala od površine proti notranjosti, trdna faza pa ostane nespremenjena . Uporablja se predvsem za delno žarjenje in fazno transformacijsko utrjevanje, pri čemer so orodja, zobniki in ležaji večina;
S povečanjem gostote moči laserja (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) in podaljševanjem časa obsevanja se površina materiala postopoma tali. Ko se vhodna energija povečuje, se vmesnik tekočina-trdno postopoma premika proti globokemu delu materiala. Ta fizikalni postopek se uporablja predvsem za površinsko taljenje, legiranje, plakiranje in toplotno prevodno varjenje kovin.
Z nadaljnjim povečevanjem gostote moči (>10 ^ 6w/cm ^ 2) in podaljšanjem časa delovanja laserja se površina materiala ne le stopi, temveč tudi upari, uparjene snovi pa se zberejo blizu površine materiala in šibko ionizirajo, da tvorijo plazmo. Ta tanka plazma pomaga materialu absorbirati laser; Pod pritiskom uparjanja in širjenja se površina tekočine deformira in tvori jamice. Ta stopnja se lahko uporablja za lasersko varjenje, običajno pri spajanju toplotnoprevodnega varjenja mikropovezav znotraj 0,5 mm.
Z nadaljnjim povečevanjem gostote moči (>10 ^ 7w/cm ^ 2) in podaljšanjem časa obsevanja je površina materiala podvržena močnemu uparjenju, pri čemer nastane plazma z visoko stopnjo ionizacije. Ta gosta plazma ima zaščitni učinek na laser in močno zmanjša energijsko gostoto laserskega vpada v material. Hkrati se pod veliko reakcijsko silo pare znotraj staljene kovine oblikujejo majhne luknje, splošno znane kot ključavnice. Obstoj ključavnic je koristen za material, da absorbira laser, in to stopnjo je mogoče uporabiti za lasersko globoko fuzijo. varjenje, rezanje in vrtanje, udarno utrjevanje itd.
V različnih pogojih bodo različne valovne dolžine laserskega obsevanja na različnih kovinskih materialih povzročile specifične vrednosti gostote moči na vsaki stopnji.
Kar zadeva absorpcijo laserja v materialih, je uparjanje materialov meja. Kadar material ni podvržen uparjanju, bodisi v trdni ali tekoči fazi, se njegova absorpcija laserja le počasi spreminja s povečanjem površinske temperature; Ko material izhlapi in tvori plazmo in ključavnice, se absorpcija laserja materiala nenadoma spremeni.
Kot je prikazano na sliki 2, se stopnja absorpcije laserja na površini materiala med laserskim varjenjem spreminja z gostoto moči laserja in temperaturo površine materiala. Ko material ni stopljen, se stopnja absorpcije materiala za laser počasi povečuje s povečanjem temperature površine materiala. Ko je gostota moči večja od (10 ^ 6 w/cm ^ 2), material močno izhlapi in tvori ključavnico. Laser vstopi v ključavnico za večkratne odboje in absorpcijo, kar povzroči znatno povečanje stopnje absorpcije materiala v laserju in znatno povečanje globine taljenja.
Absorpcija laserja s kovinskimi materiali – valovna dolžina
Zgornja slika prikazuje krivuljo razmerja med odbojnostjo, absorbanco in valovno dolžino običajno uporabljenih kovin pri sobni temperaturi. V infrardečem območju se stopnja absorpcije zmanjša, odbojnost pa se poveča s povečanjem valovne dolžine. Večina kovin močno odbija infrardečo svetlobo z valovno dolžino 10,6 um (CO2), medtem ko odbija infrardečo svetlobo z valovno dolžino 1,06 um (1060 n) šibko. Kovinski materiali imajo višje stopnje absorpcije za laserje s kratkimi valovnimi dolžinami, kot sta modra in zelena svetloba.
Absorpcija laserja s kovinskimi materiali – temperatura materiala in gostota laserske energije
Če za primer vzamemo aluminijevo zlitino, ko je material trden, je stopnja absorpcije laserja okoli 5-7 %, stopnja absorpcije tekočine je do 25-35 % in lahko doseže več kot 90 % v stanju ključavnice.
Stopnja absorpcije materiala za laser se poveča z naraščajočo temperaturo. Stopnja absorpcije kovinskih materialov pri sobni temperaturi je zelo nizka. Ko se temperatura dvigne blizu tališča, lahko stopnja absorpcije doseže 40% ~ 60%. Če je temperatura blizu vrelišča, lahko stopnja absorpcije doseže tudi 90 %.
Absorpcija laserja s kovinskimi materiali – stanje površine
Konvencionalna stopnja absorpcije se meri z uporabo gladke kovinske površine, vendar je pri praktičnih uporabah laserskega segrevanja običajno treba povečati stopnjo absorpcije nekaterih materialov z visoko refleksijo (aluminij, baker), da se izognemo lažnemu spajkanju zaradi visoke refleksije;
Uporabite lahko naslednje metode:
1. Sprejem ustreznih postopkov predobdelave površine za izboljšanje odbojnosti laserja: oksidacija prototipa, peskanje, lasersko čiščenje, nikljanje, pocinkanje, grafitna prevleka itd. lahko izboljšajo absorpcijsko stopnjo laserja materiala;
Jedro je povečati hrapavost površine materiala (kar je ugodno za večkratne laserske odboje in absorpcijo), pa tudi povečati premazni material z visoko stopnjo absorpcije. Z absorbiranjem laserske energije ter njenim taljenjem in izhlapevanjem skozi materiale z visoko stopnjo absorpcije se laserska toplota prenese na osnovni material, da se izboljša stopnja absorpcije materiala in zmanjša navidezno varjenje, ki ga povzroča pojav visokega odboja.
Čas objave: 23. nov. 2023
