Interakcia medzi laserom a materiálmi zahŕňa mnoho fyzikálnych javov a charakteristík. Nasledujúce tri články predstavia tri kľúčové fyzikálne javy súvisiace s procesom laserového zvárania s cieľom poskytnúť kolegom jasnejšie pochopenieproces laserového zvárania: delí sa na rýchlosť absorpcie lasera a zmeny stavu, plazmový a kľúčový efekt. Tentoraz aktualizujeme vzťah medzi zmenami stavu lasera a materiálov a rýchlosťou absorpcie.
Zmeny stavu hmoty spôsobené interakciou medzi laserom a materiálmi
Laserové spracovanie kovových materiálov je založené najmä na tepelnom spracovaní fototermálnych efektov. Keď sa laserové ožarovanie aplikuje na povrch materiálu, dôjde k rôznym zmenám v povrchovej ploche materiálu pri rôznych hustotách výkonu. Tieto zmeny zahŕňajú zvýšenie povrchovej teploty, topenie, odparovanie, tvorbu kľúčových dier a tvorbu plazmy. Okrem toho zmeny fyzikálneho stavu povrchovej plochy materiálu výrazne ovplyvňujú absorpciu lasera materiálom. S nárastom hustoty výkonu a času pôsobenia bude kovový materiál podliehať nasledujúcim zmenám stavu:
Keďvýkon laserahustota je nízka (<10 ^ 4w/cm ^ 2) a doba ožarovania je krátka, laserová energia absorbovaná kovom môže spôsobiť iba zvýšenie teploty materiálu od povrchu dovnútra, ale tuhá fáza zostáva nezmenená . Používa sa hlavne na žíhanie dielov a kalenie s fázovou transformáciou, pričom väčšinu tvoria nástroje, ozubené kolesá a ložiská;
So zvyšovaním hustoty výkonu lasera (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) a predlžovaním doby ožarovania sa povrch materiálu postupne topí. Ako sa vstupná energia zvyšuje, rozhranie kvapalina-tuhá látka sa postupne posúva smerom k hlbokej časti materiálu. Tento fyzikálny proces sa používa hlavne na povrchové pretavovanie, legovanie, plátovanie a tepelnú vodivosť kovov.
Ďalším zvýšením hustoty výkonu (>10 ^ 6w/cm ^ 2) a predĺžením času pôsobenia lasera sa povrch materiálu nielen roztopí, ale aj vyparí a odparené látky sa zhromažďujú blízko povrchu materiálu a slabo ionizujú za vzniku plazmy. Táto tenká plazma pomáha materiálu absorbovať laser; Pod tlakom vyparovania a expanzie sa povrch kvapaliny deformuje a vytvára jamy. Tento stupeň možno použiť na laserové zváranie, zvyčajne pri spájaní tepelnou vodivosťou mikrospojov do 0,5 mm.
Ďalším zvyšovaním hustoty výkonu (>10 ^ 7w/cm ^ 2) a predlžovaním doby ožarovania dochádza k silnému odparovaniu povrchu materiálu, čím sa vytvára plazma s vysokým stupňom ionizácie. Táto hustá plazma má na laser tieniaci účinok, čím výrazne znižuje hustotu energie lasera dopadajúceho do materiálu. Súčasne pod veľkou reakčnou silou pary sa vo vnútri roztaveného kovu vytvárajú malé otvory, bežne známe ako kľúčové dierky, Existencia kľúčových dier je prospešná pre materiál na absorbovanie lasera a tento stupeň možno použiť na hĺbkovú fúziu lasera. zváranie, rezanie a vŕtanie, rázové kalenie atď.
V rôznych podmienkach budú rôzne vlnové dĺžky laserového žiarenia na rôznych kovových materiáloch viesť k špecifickým hodnotám hustoty výkonu v každom štádiu.
Z hľadiska absorpcie lasera materiálmi je hranicou odparovanie materiálov. Keď materiál neprechádza odparovaním, či už v tuhej alebo kvapalnej fáze, jeho absorpcia lasera sa mení len pomaly so zvyšujúcou sa povrchovou teplotou; Akonáhle sa materiál odparí a vytvorí plazmu a kľúčové dierky, absorpcia lasera materiálom sa náhle zmení.
Ako je znázornené na obrázku 2, rýchlosť absorpcie lasera na povrchu materiálu počas laserového zvárania sa mení s hustotou výkonu lasera a teplotou povrchu materiálu. Keď sa materiál neroztaví, rýchlosť absorpcie materiálu laserom sa pomaly zvyšuje so zvyšovaním teploty povrchu materiálu. Keď je hustota výkonu väčšia ako (10 ^ 6w/cm ^ 2), materiál sa prudko vyparí a vytvorí kľúčovú dierku. Laser vstupuje do kľúčovej dierky pre viacnásobné odrazy a absorpciu, čo vedie k výraznému zvýšeniu rýchlosti absorpcie materiálu laserom a výraznému zvýšeniu hĺbky tavenia.
Absorpcia lasera kovovými materiálmi – vlnová dĺžka
Vyššie uvedený obrázok ukazuje krivku závislosti medzi odrazivosťou, absorbanciou a vlnovou dĺžkou bežne používaných kovov pri izbovej teplote. V infračervenej oblasti sa rýchlosť absorpcie znižuje a odrazivosť sa zvyšuje so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou. Väčšina kovov silne odráža infračervené svetlo s vlnovou dĺžkou 10,6 um (CO2), zatiaľ čo infračervené svetlo s vlnovou dĺžkou 1,06 um (1060 nm) slabo odráža. Kovové materiály majú vyššiu mieru absorpcie pre lasery s krátkou vlnovou dĺžkou, ako je modré a zelené svetlo.
Absorpcia lasera kovovými materiálmi – teplota materiálu a hustota energie lasera
Ak vezmeme ako príklad hliníkovú zliatinu, keď je materiál pevný, miera absorpcie lasera je okolo 5-7%, miera absorpcie kvapaliny je až 25-35% a môže dosiahnuť viac ako 90% v stave kľúčovej dierky.
Rýchlosť absorpcie materiálu laserom sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Miera absorpcie kovových materiálov pri izbovej teplote je veľmi nízka. Keď teplota stúpne blízko bodu topenia, jeho absorpčná rýchlosť môže dosiahnuť 40% ~ 60%. Ak je teplota blízka bodu varu, jeho absorpcia môže dosiahnuť až 90%.
Absorpcia lasera kovovými materiálmi – stav povrchu
Bežná miera absorpcie sa meria pomocou hladkého kovového povrchu, ale v praktických aplikáciách laserového ohrevu je zvyčajne potrebné zvýšiť rýchlosť absorpcie určitých materiálov s vysokým odrazom (hliník, meď), aby sa predišlo falošnému spájkovaniu spôsobenému vysokým odrazom;
Môžu sa použiť nasledujúce metódy:
1. Prijatie vhodných procesov predbežnej úpravy povrchu na zlepšenie odrazivosti lasera: oxidácia prototypu, pieskovanie, čistenie laserom, pokovovanie niklom, pocínovanie, grafitový povlak atď. môžu zlepšiť absorpčnú rýchlosť lasera;
Jadrom je zvýšiť drsnosť povrchu materiálu (čo vedie k viacnásobným laserovým odrazom a absorpcii), ako aj zvýšiť poťahový materiál s vysokou mierou absorpcie. Absorbovaním laserovej energie a jej tavením a odparovaním prostredníctvom materiálov s vysokou absorpčnou rýchlosťou sa laserové teplo prenáša na základný materiál, aby sa zlepšila rýchlosť absorpcie materiálu a znížilo sa virtuálne zváranie spôsobené javom vysokého odrazu.
Čas odoslania: 23. novembra 2023
