Samspillet mellem laser og materialer involverer mange fysiske fænomener og karakteristika. De næste tre artikler vil introducere de tre centrale fysiske fænomener relateret til lasersvejseprocessen for at give kolleger en klarere forståelse aflaser svejseproces: opdelt i laserabsorptionshastighed og ændringer i tilstand, plasma og nøglehulseffekt. Denne gang vil vi opdatere forholdet mellem ændringer i laserens og materialernes tilstand og absorptionshastigheden.
Ændringer i stoffets tilstand forårsaget af interaktionen mellem laser og materialer
Laserbehandlingen af metalmaterialer er hovedsageligt baseret på termisk behandling af fototermiske effekter. Når laserbestråling påføres materialets overflade, vil der forekomme forskellige ændringer i materialets overfladeareal ved forskellige effekttætheder. Disse ændringer omfatter overfladetemperaturstigning, smeltning, fordampning, nøglehulsdannelse og plasmagenerering. Desuden påvirker ændringerne i den fysiske tilstand af materialets overfladeareal i høj grad materialets absorption af laser. Med stigningen i effekttæthed og aktionstid vil metalmaterialet gennemgå følgende tilstandsændringer:
Nårlaserkrafttætheden er lav (<10 ^ 4w/cm ^ 2) og bestrålingstiden er kort, laserenergien absorberet af metallet kan kun få materialets temperatur til at stige fra overfladen til indersiden, men den faste fase forbliver uændret . Det bruges hovedsageligt til delglødning og fasetransformationshærdningsbehandling, hvor værktøj, tandhjul og lejer er hovedparten;
Med stigningen i lasereffekttætheden (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) og forlængelsen af bestrålingstiden smelter materialets overflade gradvist. Efterhånden som inputenergien stiger, bevæger væske-faststof-grænsefladen sig gradvist mod den dybe del af materialet. Denne fysiske proces bruges hovedsageligt til overfladeomsmeltning, legering, beklædning og termisk ledningsevnesvejsning af metaller.
Ved yderligere at øge effekttætheden (>10 ^ 6w/cm ^ 2) og forlænge laserhandlingstiden, smelter materialets overflade ikke kun, men fordamper også, og de fordampede stoffer samler sig nær materialets overflade og ioniserer svagt for at danne et plasma. Dette tynde plasma hjælper materialet med at absorbere laseren; Under trykket af fordampning og ekspansion deformeres væskeoverfladen og danner gruber. Dette trin kan bruges til lasersvejsning, normalt ved splejsning af termisk ledningsevnesvejsning af mikroforbindelser inden for 0,5 mm.
Ved yderligere at øge effekttætheden (>10 ^ 7w/cm ^ 2) og forlænge bestrålingstiden undergår materialets overflade kraftig fordampning, hvilket danner et plasma med høj ioniseringsgrad. Dette tætte plasma har en afskærmende effekt på laseren, hvilket i høj grad reducerer energitætheden af laseren, der falder ind i materialet. Samtidig dannes der under en stor dampreaktionskraft små huller, almindeligvis kendt som nøglehuller, inde i det smeltede metal. Eksistensen af nøglehuller er gavnligt for materialet til at absorbere laser, og dette trin kan bruges til laser dyb fusion svejsning, skæring og boring, slaghærdning mv.
Under forskellige forhold vil forskellige bølgelængder af laserbestråling på forskellige metalmaterialer resultere i specifikke værdier af effekttæthed på hvert trin.
Med hensyn til absorption af laser af materialer er fordampning af materialer en grænse. Når materialet ikke undergår fordampning, hvad enten det er i fast eller flydende fase, ændres dets absorption af laser kun langsomt med stigningen i overfladetemperaturen; Når først materialet fordamper og danner plasma og nøglehuller, vil materialets absorption af laser pludselig ændre sig.
Som vist i figur 2 varierer absorptionshastigheden af laser på materialeoverfladen under lasersvejsning med lasereffekttæthed og materialeoverfladetemperatur. Når materialet ikke er smeltet, stiger absorptionshastigheden af materialet til laseren langsomt med stigningen i materialets overfladetemperatur. Når effekttætheden er større end (10 ^ 6w/cm ^ 2), fordamper materialet voldsomt og danner et nøglehul. Laseren går ind i nøglehullet for flere refleksioner og absorption, hvilket resulterer i en betydelig stigning i materialets absorptionshastighed til laseren og en betydelig stigning i smeltedybden.
Absorption af laser af metalmaterialer – bølgelængde
Ovenstående figur viser sammenhængskurven mellem reflektiviteten, absorbansen og bølgelængden af almindeligt anvendte metaller ved stuetemperatur. I det infrarøde område falder absorptionshastigheden, og reflektiviteten øges med bølgelængden. De fleste metaller reflekterer kraftigt 10,6um (CO2) bølgelængde infrarødt lys, mens svagt reflekterer 1,06um (1060nm) bølgelængde infrarødt lys. Metalmaterialer har højere absorptionshastigheder for lasere med kort bølgelængde, såsom blåt og grønt lys.
Absorption af laser af metalmaterialer - Materialetemperatur og laserenergitæthed
Tager man aluminiumslegering som et eksempel, når materialet er fast, er laserabsorptionshastigheden omkring 5-7%, væskeabsorptionshastigheden er op til 25-35%, og den kan nå over 90% i nøglehulstilstanden.
Absorptionshastigheden af materialet til laseren stiger med stigende temperatur. Absorptionshastigheden af metalmaterialer ved stuetemperatur er meget lav. Når temperaturen stiger til nær smeltepunktet, kan dens absorptionshastighed nå 40% ~ 60%. Hvis temperaturen er tæt på kogepunktet, kan dens absorptionshastighed nå op på 90%.
Absorption af laser af metalmaterialer - Overfladetilstand
Den konventionelle absorptionshastighed måles ved hjælp af en glat metaloverflade, men i praktiske anvendelser af laseropvarmning er det normalt nødvendigt at øge absorptionshastigheden af visse højreflekterende materialer (aluminium, kobber) for at undgå falsk lodning forårsaget af høj refleksion;
Følgende metoder kan bruges:
1. Vedtagelse af passende overfladeforbehandlingsprocesser for at forbedre laserens reflektivitet: prototypeoxidation, sandblæsning, laserrensning, fornikling, fortinning, grafitbelægning osv. kan alle forbedre materialets absorptionshastighed af laser;
Kernen er at øge ruheden af materialeoverfladen (hvilket er befordrende for flere laserreflektioner og absorption), samt at øge belægningsmaterialet med høj absorptionshastighed. Ved at absorbere laserenergi og smelte og fordampe den gennem materialer med høj absorptionshastighed, transmitteres laservarme til basismaterialet for at forbedre materialeabsorptionshastigheden og reducere den virtuelle svejsning forårsaget af højreflektionsfænomen.
Indlægstid: 23. november 2023
