Samspillet mellem laser og materialer involverer mange fysiske fænomener og egenskaber. De næste tre artikler vil introducere de tre vigtigste fysiske fænomener relateret til lasersvejseprocessen for at give kolleger en klarere forståelse af...lasersvejseprocesOpdelt i laserabsorptionshastighed og tilstandsændringer, plasma og nøglehulseffekt. Denne gang vil vi opdatere forholdet mellem ændringer i laserens og materialernes tilstand samt absorptionshastigheden.
Ændringer i materiens tilstand forårsaget af interaktionen mellem laser og materialer
Laserbehandling af metalmaterialer er hovedsageligt baseret på termisk behandling af fototermiske effekter. Når laserbestråling påføres materialeoverfladen, vil der forekomme forskellige ændringer i materialets overfladeareal ved forskellige effekttætheder. Disse ændringer omfatter stigning i overfladetemperatur, smeltning, fordampning, nøglehulsdannelse og plasmagenerering. Desuden påvirker ændringer i materialets fysiske tilstand i høj grad materialets absorption af laser. Med stigende effekttæthed og virkningstid vil metalmaterialet gennemgå følgende tilstandsændringer:
Når denlaserkraftDa densiteten er lav (<10 ^ 4w/cm^2), og bestrålingstiden er kort, kan den laserenergi, der absorberes af metallet, kun få materialets temperatur til at stige fra overfladen og indad, men den faste fase forbliver uændret. Det bruges hovedsageligt til udglødning af dele og fasetransformationshærdning, hvor værktøj, gear og lejer udgør størstedelen;
Med stigningen i laserens effekttæthed (10^4-10^6w/cm^2) og forlængelsen af bestrålingstiden smelter materialets overflade gradvist. Efterhånden som den tilførte energi stiger, bevæger grænsefladen mellem væske og fast stof sig gradvist mod den dybe del af materialet. Denne fysiske proces anvendes hovedsageligt til overfladeomsmeltning, legering, beklædning og varmeledningsevnesvejsning af metaller.
Ved yderligere at øge effekttætheden (>10 ^ 6w/cm^2) og forlænge laserens virkningstid, smelter materialeoverfladen ikke blot, men fordamper også, og de fordampede stoffer samler sig nær materialeoverfladen og ioniserer svagt for at danne et plasma. Dette tynde plasma hjælper materialet med at absorbere laseren; under fordampnings- og ekspansionstrykket deformeres væskeoverfladen og danner huller. Dette trin kan bruges til lasersvejsning, normalt i splejsning af termisk ledningsevnesvejsning af mikroforbindelser inden for 0,5 mm.
Ved yderligere at øge effekttætheden (>10 ^ 7w/cm^2) og forlænge bestrålingstiden, undergår materialeoverfladen en kraftig fordampning, der danner et plasma med høj ioniseringsgrad. Dette tætte plasma har en afskærmende effekt på laseren, hvilket reducerer energitætheden af den laser, der rammer materialet, betydeligt. Samtidig dannes der under en stor dampreaktionskraft små huller, almindeligvis kendt som nøglehuller, inde i det smeltede metal. Tilstedeværelsen af nøglehuller er gavnlig for materialets evne til at absorbere laser, og dette trin kan bruges til laserdybsmeltesvejsning, skæring og boring, slaghærdning osv.
Under forskellige forhold vil forskellige bølgelængder af laserbestråling på forskellige metalmaterialer resultere i specifikke værdier for effekttæthed i hvert trin.
Med hensyn til materialers absorption af laser, er materialers fordampning en grænse. Når materialet ikke fordamper, uanset om det er i fast eller flydende fase, ændres dets absorption af laser kun langsomt med stigende overfladetemperatur. Når materialet fordamper og danner plasma og nøglehuller, vil materialets absorption af laser pludselig ændre sig.
Som vist i figur 2 varierer laserens absorptionshastighed på materialeoverfladen under lasersvejsning med laserens effekttæthed og materialets overfladetemperatur. Når materialet ikke er smeltet, øges materialets absorptionshastighed til laseren langsomt med stigende materialeoverfladetemperatur. Når effekttætheden er større end (10 ^ 6w/cm ^ 2), fordamper materialet voldsomt og danner et nøglehul. Laseren trænger ind i nøglehullet for at reflektere og absorbere flere gange, 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 forholdskurven mellem reflektionsevne, absorbans og bølgelængde for almindeligt anvendte metaller ved stuetemperatur. I det infrarøde område falder absorptionshastigheden, og reflektionsevnen stiger med stigende bølgelængde. De fleste metaller reflekterer kraftigt infrarødt lys med en bølgelængde på 10,6 µm (CO2), mens de svagt reflekterer infrarødt lys med en bølgelængde på 1,06 µm (1060 nm). Metalmaterialer har højere absorptionshastigheder for kortbølgede lasere, såsom blåt og grønt lys.
Absorption af laser af metalmaterialer – Materialetemperatur og laserenergitæthed
Hvis vi tager en aluminiumlegering som eksempel, er laserabsorptionshastigheden, når materialet er fast, omkring 5-7%, væskeabsorptionshastigheden er op til 25-35%, og den kan nå over 90% i nøglehulstilstand.
Materialets absorptionshastighed for laseren stiger med stigende temperatur. Absorptionshastigheden for metalmaterialer er meget lav ved stuetemperatur. Når temperaturen stiger til nær smeltepunktet, kan absorptionshastigheden nå 40%~60%. Hvis temperaturen er tæt på kogepunktet, kan absorptionshastigheden nå op på 90%.
Absorption af laser fra 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 for visse materialer med høj reflektion (aluminium, kobber) for at undgå falsk lodning forårsaget af høj refleksion;
Følgende metoder kan anvendes:
1. Ved at anvende passende overfladeforbehandlingsprocesser for at forbedre laserens reflektionsevne: prototypeoxidation, sandblæsning, laserrensning, nikkelbelægning, tinbelægning, grafitbelægning osv. kan alle forbedre materialets absorptionshastighed for laseren;
Kernen er at øge ruheden af materialeoverfladen (hvilket er befordrende for multiple laserrefleksioner og absorption), samt at øge belægningsmaterialets høje absorptionshastighed. Ved at absorbere laserenergi og smelte og fordampe den gennem materialer med høj absorptionshastighed overføres laservarme til basismaterialet for at forbedre materialeabsorptionshastigheden og reducere den virtuelle svejsning forårsaget af højreflektionsfænomenet.
Opslagstidspunkt: 23. november 2023
