Interakcia medzi laserom a materiálmi zahŕňa mnoho fyzikálnych javov a charakteristík. Nasledujúce tri články predstavia tri kľúčové fyzikálne javy súvisiace s procesom laserového zvárania, aby poskytli kolegom jasnejšie pochopenie...proces laserového zváraniarozdelené na rýchlosť absorpcie laseru a zmeny stavu, plazmu a efekt kľúčovej dierky. Tentoraz aktualizujeme vzťah medzi zmenami stavu laseru a materiálov a rýchlosťou absorpcie.
Zmeny skupenstva hmoty spôsobené interakciou medzi laserom a materiálmi
Laserové spracovanie kovových materiálov je založené najmä na tepelnom spracovaní fototermických efektov. Keď sa na povrch materiálu aplikuje laserové žiarenie, pri rôznych hustotách výkonu dochádza k rôznym zmenám na povrchu materiálu. Medzi tieto zmeny patrí zvýšenie povrchovej teploty, topenie, odparovanie, tvorba lúčov a tvorba plazmy. Okrem toho zmeny fyzikálneho stavu povrchu materiálu výrazne ovplyvňujú absorpciu laserového žiarenia materiálom. So zvyšujúcou sa hustotou výkonu a dobou pôsobenia prechádza kovový materiál nasledujúcimi zmenami stavu:
Keďlaserový výkonPri nízkej hustote (<10 ^ 4 W/cm ^ 2) a krátkej dobe ožarovania môže laserová energia absorbovaná kovom spôsobiť len zvýšenie teploty materiálu z povrchu dovnútra, ale pevná fáza zostáva nezmenená. Používa sa hlavne na žíhanie dielov a fázovo transformačné kalenie, pričom sa používa najmä pri nástrojoch, ozubených kolesách a ložiskách.
So zvyšujúcou sa hustotou výkonu laseru (10^4-10^6w/cm^2) a predlžovaním času ožarovania sa povrch materiálu postupne taví. So zvyšujúcou sa vstupnou energiou sa rozhranie kvapalina-pevná látka postupne posúva smerom k hlbšej časti materiálu. Tento fyzikálny proces sa používa hlavne na pretavovanie povrchov, legovanie, plátovanie a zváranie kovov tepelnou vodivosťou.
Ďalším zvýšením hustoty výkonu (> 10 ^ 6 W/cm ^ 2) a predĺžením doby pôsobenia laseru sa povrch materiálu nielen roztaví, ale aj odparí. Odparené látky sa zhromažďujú v blízkosti povrchu materiálu a slabo ionizujú za vzniku plazmy. Táto tenká plazma pomáha materiálu absorbovať laser. Pod tlakom odparovania a expanzie sa povrch kvapaliny deformuje a vytvárajú sa jamky. Táto fáza sa môže použiť na laserové zváranie, zvyčajne pri spájaní a tepelnovodivom zváraní mikrospojov do 0,5 mm.
Ďalším zvýšením hustoty výkonu (> 10 ^ 7 W/cm ^ 2) a predĺžením doby ožarovania dochádza k silnému odparovaniu povrchu materiálu, čím sa vytvára plazma s vysokým stupňom ionizácie. Táto hustá plazma má tieniaci účinok na laser, čím výrazne znižuje hustotu energie laseru dopadajúceho na materiál. Zároveň sa v roztavenom kove pod vplyvom veľkej reakčnej sily pary vytvárajú malé otvory, bežne známe ako kľúčové dierky. Existencia kľúčových dier je výhodná pre materiál, aby absorboval laser, a tento stupeň sa môže použiť na laserové hlboké tavné zváranie, rezanie a vŕtanie, kalenie nárazom atď.
Za rôznych podmienok budú mať rôzne vlnové dĺžky laserového ožiarenia na rôznych kovových materiáloch za následok špecifické hodnoty hustoty výkonu v každom stupni.
Pokiaľ ide o absorpciu laserového žiarenia materiálmi, odparovanie materiálov je hranicou. Ak sa materiál neodparuje, či už v pevnej alebo kvapalnej fáze, jeho absorpcia laserového žiarenia sa mení len pomaly so zvyšujúcou sa povrchovou teplotou. Akonáhle sa materiál odparí a vytvorí plazmu a dierky, absorpcia laserového žiarenia materiálom sa náhle zmení.
Ako je znázornené na obrázku 2, miera absorpcie laseru na povrchu materiálu počas laserového zvárania sa mení v závislosti od hustoty výkonu laseru a teploty povrchu materiálu. Keď materiál nie je roztavený, miera absorpcie materiálu do laseru sa pomaly zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou povrchu materiálu. Keď je hustota výkonu väčšia ako (10^6w/cm^2), materiál sa prudko odparuje a vytvára kľúčovú dierku. Laser vstupuje do kľúčovej dierky a viacnásobne sa odráža a absorbuje, čo vedie k výraznému zvýšeniu miery absorpcie materiálu do laseru a výraznému zvýšeniu hĺbky tavenia.
Absorpcia laseru kovovými materiálmi – vlnová dĺžka
Vyššie uvedený obrázok znázorňuje krivku vzťahu medzi odrazivosťou, absorbanciou a vlnovou dĺžkou bežne používaných kovov pri izbovej teplote. V infračervenej oblasti sa miera absorpcie znižuje a odrazivosť zvyšuje so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou. Väčšina kovov silne odráža infračervené svetlo s vlnovou dĺžkou 10,6 μm (CO2), zatiaľ čo slabo odráža infračervené svetlo s vlnovou dĺžkou 1,06 μm (1060 nm). Kovové materiály majú vyššiu mieru absorpcie pre lasery s krátkou vlnovou dĺžkou, ako je modré a zelené svetlo.
Absorpcia laseru kovovými materiálmi – teplota materiálu a hustota laserovej energie
Ak vezmeme ako príklad hliníkovú zliatinu, keď je materiál pevný, miera absorpcie laseru je okolo 5-7%, miera absorpcie kvapaliny je až 25-35% a v stave kľúčovej dierky môže dosiahnuť viac ako 90%.
Absorpcia laserového žiarenia materiálu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Absorpcia kovových materiálov je pri izbovej teplote veľmi nízka. Keď teplota stúpne k bodu topenia, absorpcia môže dosiahnuť 40 % až 60 %. Ak je teplota blízka bodu varu, absorpcia môže dosiahnuť až 90 %.
Absorpcia laseru kovovými materiálmi – stav povrchu
Konvenčná miera absorpcie sa meria pomocou hladkého kovového povrchu, ale v praktických aplikáciách laserového ohrevu je zvyčajne potrebné zvýšiť mieru 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 predúpravy povrchu na zlepšenie odrazivosti laseru: oxidácia prototypov, pieskovanie, čistenie laserom, niklovanie, cínovanie, grafitový povlak atď. môžu zlepšiť mieru absorpcie laseru materiálom;
Jadrom je zvýšenie drsnosti povrchu materiálu (čo prispieva k viacnásobným laserovým odrazom a absorpcii), ako aj zvýšenie povlakového materiálu s vysokou mierou absorpcie. Absorpciou laserovej energie a jej tavením a odparovaním prostredníctvom materiálov s vysokou mierou absorpcie sa laserové teplo prenáša na základný materiál, čím sa zlepšuje miera absorpcie materiálu a znižuje sa virtuálne zvarenie spôsobené javom vysokej miery odrazu.
Čas uverejnenia: 23. novembra 2023
