Interakcija med laserjem in materiali vključuje številne fizikalne pojave in značilnosti. Naslednji trije članki bodo predstavili tri ključne fizikalne pojave, povezane s postopkom laserskega varjenja, da bi kolegom omogočili boljše razumevanjepostopek laserskega varjenja: razdeljeno na hitrost absorpcije laserja in spremembe stanja, plazmo in učinek ključavnice. Tokrat bomo posodobili razmerje med spremembami stanja laserja in materialov ter hitrostjo absorpcije.
Spremembe agregatnega stanja, ki jih povzroča interakcija med laserjem in materiali
Laserska obdelava kovinskih materialov temelji predvsem na termični obdelavi fototermičnih učinkov. Ko se lasersko sevanje uporabi na površini materiala, se pri različnih gostotah moči pojavijo različne spremembe na površini materiala. Te spremembe vključujejo dvig temperature površine, taljenje, uparjanje, nastanek ključavnic in nastanek plazme. Poleg tega spremembe v fizikalnem stanju površine materiala močno vplivajo na absorpcijo laserja s strani materiala. Z naraščanjem gostote moči in časa delovanja se stanje kovinskega materiala spremeni v naslednjem:
Kolaserska močGostota je nizka (<10 ^ 4 W/cm ^ 2) in čas obsevanja kratek, laserska energija, ki jo absorbira kovina, lahko povzroči le dvig temperature materiala od površine navznoter, trdna faza pa ostane nespremenjena. Uporablja se predvsem za žarjenje delov in fazno transformacijsko utrjevanje, pri čemer se večinoma uporabljajo orodja, zobniki in ležaji;
Z naraščanjem gostote laserske moči (10^4-10^6 W/cm^2) in podaljševanjem časa obsevanja se površina materiala postopoma tali. Z naraščanjem vhodne energije se stika med tekočino in trdno snovjo postopoma premika proti globljemu delu materiala. Ta fizikalni postopek se uporablja predvsem za površinsko pretaljevanje, legiranje, prekrivanje in toplotno prevodno varjenje kovin.
Z nadaljnjim povečanjem gostote moči (>10^6 W/cm^2) in podaljšanjem časa delovanja laserja se površina materiala ne le stopi, ampak tudi upari, uparjene snovi pa se zberejo blizu površine materiala in šibko ionizirajo ter tvorijo plazmo. Ta tanka plazma pomaga materialu absorbirati laser; pod pritiskom uparjanja in raztezanja se površina tekočine deformira in tvori jamice. Ta faza se lahko uporablja za lasersko varjenje, običajno pri spajanju mikro spojev s toplotno prevodnostjo znotraj 0,5 mm.
Z nadaljnjim povečanjem gostote moči (>10^7w/cm^2) in podaljšanjem časa obsevanja se površina materiala močno upari, kar tvori plazmo z visoko stopnjo ionizacije. Ta gosta plazma ima zaščitni učinek na laser in močno zmanjša gostoto energije laserja, ki vpada v material. Hkrati se pod vplivom velike sile reakcije pare znotraj staljene kovine tvorijo majhne luknje, splošno znane kot ključavnice. Obstoj ključavnic je koristen za material, da absorbira laser, in ta faza se lahko uporablja za lasersko varjenje z globokim taljenjem, rezanje in vrtanje, udarno kaljenje itd.
V različnih pogojih bodo različne valovne dolžine laserskega obsevanja različnih kovinskih materialov povzročile specifične vrednosti gostote moči na vsaki stopnji.
Kar zadeva absorpcijo laserskega sevanja s strani materialov, je uparjanje materialov mejna možnost. Ko material ne uparja, bodisi v trdni bodisi v tekoči fazi, se njegova absorpcija laserskega sevanja le počasi spreminja z naraščanjem temperature površine; ko material upari in tvori plazmo ter odprtine, se absorpcija laserskega sevanja materiala nenadoma spremeni.
Kot je prikazano na sliki 2, se stopnja absorpcije laserja na površini materiala med laserskim varjenjem spreminja glede na gostoto laserske moči in temperaturo površine materiala. Ko material ni staljen, se stopnja absorpcije materiala v laser počasi povečuje z naraščanjem temperature površine materiala. Ko je gostota moči večja od (10^6w/cm^2), material silovito upari in tvori ključavnico. Laser vstopi v ključavnico, kjer se večkrat odbije in absorbira, kar povzroči znatno povečanje stopnje absorpcije materiala v laser in znatno povečanje globine taljenja.
Absorpcija laserja s kovinskimi materiali – valovna dolžina
Zgornja slika prikazuje krivuljo razmerja med odbojnostjo, absorbanco in valovno dolžino pogosto uporabljenih kovin pri sobni temperaturi. V infrardečem območju se stopnja absorpcije zmanjšuje, odbojnost pa povečuje z naraščanjem valovne dolžine. Večina kovin močno odbija infrardečo svetlobo z valovno dolžino 10,6 μm (CO2), medtem ko šibko odbija infrardečo svetlobo z valovno dolžino 1,06 μm (1060 nm). Kovinski materiali imajo višje stopnje absorpcije za kratkovalovne laserje, kot sta modra in zelena svetloba.
Absorpcija laserja s kovinskimi materiali – temperatura materiala in gostota laserske energije
Če za primer vzamemo aluminijevo zlitino, je pri trdnem materialu stopnja absorpcije laserja približno 5-7 %, stopnja absorpcije tekočine do 25-35 %, v stanju ključavnice pa lahko doseže več kot 90 %.
Stopnja absorpcije laserskega sevanja materiala se povečuje z naraščajočo temperaturo. Stopnja absorpcije kovinskih materialov je pri sobni temperaturi zelo nizka. Ko se temperatura dvigne blizu tališča, lahko stopnja absorpcije doseže 40 % do 60 %. Če je temperatura blizu vrelišča, lahko stopnja absorpcije doseže celo 90 %.
Absorpcija laserja s kovinskimi materiali – stanje površine
Konvencionalna stopnja absorpcije se meri z gladko kovinsko površino, vendar je pri praktičnih aplikacijah laserskega segrevanja običajno treba povečati stopnjo absorpcije nekaterih materialov z visokim odbojem (aluminij, baker), da se prepreči lažno spajkanje zaradi visokega odboja;
Uporabijo se lahko naslednje metode:
1. Uporaba ustreznih postopkov predobdelave površine za izboljšanje odbojnosti laserja: oksidacija prototipov, peskanje, lasersko čiščenje, nikljanje, kositrjenje, grafitiranje itd. lahko izboljša absorpcijsko hitrost laserja v materialu;
Jedro je povečati hrapavost površine materiala (kar spodbuja večkratne laserske odboje in absorpcijo) ter povečati stopnjo absorpcije prevleke. Z absorpcijo laserske energije ter njenim taljenjem in uparjanjem skozi materiale z visoko stopnjo absorpcije se laserska toplota prenaša na osnovni material, kar izboljša stopnjo absorpcije materiala in zmanjša navidezno varjenje, ki ga povzroča pojav visokega odboja.
Čas objave: 23. november 2023
