Interakcja między laserem a materiałami obejmuje wiele zjawisk i cech fizycznych. W kolejnych trzech artykułach zostaną przedstawione trzy kluczowe zjawiska fizyczne związane z procesem spawania laserowego, aby zapewnić współpracownikom lepsze zrozumienie procesu spawania laserowego.proces spawania laserowego: w podziale na szybkość absorpcji lasera i zmiany stanu, efekt plazmy i dziurki od klucza. Tym razem zaktualizujemy zależność pomiędzy zmianami stanu lasera i materiałów a szybkością absorpcji.
Zmiany stanu skupienia spowodowane oddziaływaniem lasera z materiałami
Obróbka laserowa materiałów metalowych opiera się głównie na obróbce termicznej efektów fototermicznych. Kiedy na powierzchnię materiału zostanie napromieniowane promieniowanie laserowe, przy różnych gęstościach mocy na powierzchni materiału wystąpią różne zmiany. Zmiany te obejmują wzrost temperatury powierzchni, topienie, parowanie, tworzenie się dziurki od klucza i wytwarzanie plazmy. Co więcej, zmiany stanu fizycznego powierzchni materiału w dużym stopniu wpływają na absorpcję lasera przez materiał. Wraz ze wzrostem gęstości mocy i czasu działania materiał metaliczny będzie ulegał następującym zmianom stanu:
Kiedymoc laseragęstość jest niska (<10 ^ 4w/cm ^ 2), a czas naświetlania jest krótki, energia lasera pochłonięta przez metal może jedynie spowodować wzrost temperatury materiału od powierzchni do wewnątrz, ale faza stała pozostaje niezmieniona . Stosowany jest głównie do wyżarzania części i utwardzania z przemianą fazową, przy czym większość stanowią narzędzia, koła zębate i łożyska;
Wraz ze wzrostem gęstości mocy lasera (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) i wydłużaniem czasu naświetlania, powierzchnia materiału stopniowo topi się. Wraz ze wzrostem energii wejściowej granica faz ciecz-ciało stałe stopniowo przesuwa się w kierunku głębokiej części materiału. Ten proces fizyczny jest stosowany głównie do przetapiania powierzchniowego, tworzenia stopów, napawania i spawania metali pod przewodnictwem cieplnym.
Dalsze zwiększenie gęstości mocy (>10 ^ 6 w/cm ^ 2) i wydłużenie czasu działania lasera powoduje, że powierzchnia materiału nie tylko topi się, ale także odparowuje, a odparowane substancje gromadzą się w pobliżu powierzchni materiału i słabo jonizują, tworząc plazmę. Ta cienka plazma pomaga materiałowi wchłonąć laser; Pod ciśnieniem parowania i ekspansji powierzchnia cieczy odkształca się i tworzy wgłębienia. Etap ten można wykorzystać do spawania laserowego, zwykle przy spawaniu przewodności cieplnej mikropołączeń w zakresie 0,5 mm.
Poprzez dalsze zwiększenie gęstości mocy (>10 ^ 7 w/cm ^ 2) i wydłużenie czasu naświetlania, powierzchnia materiału ulega silnemu odparowaniu, tworząc plazmę o wysokim stopniu jonizacji. Ta gęsta plazma działa ekranująco na laser, znacznie zmniejszając gęstość energii lasera padającego na materiał. Jednocześnie pod wpływem dużej siły reakcji pary w stopionym metalu tworzą się małe otwory, powszechnie zwane dziurkami od klucza. Istnienie dziurek od klucza jest korzystne dla materiału do pochłaniania lasera, a ten etap można wykorzystać do głębokiego stopienia laserowego spawanie, cięcie i wiercenie, hartowanie udarowe itp.
W różnych warunkach różne długości fal promieniowania laserowego na różnych materiałach metalowych spowodują uzyskanie określonych wartości gęstości mocy na każdym etapie.
Jeśli chodzi o absorpcję lasera przez materiały, granicą jest parowanie materiałów. Gdy materiał nie ulega odparowaniu, czy to w fazie stałej czy ciekłej, jego absorpcja lasera zmienia się powoli wraz ze wzrostem temperatury powierzchni; Gdy materiał wyparuje i utworzy plazmę oraz dziurki od klucza, absorpcja lasera przez materiał nagle się zmieni.
Jak pokazano na rysunku 2, szybkość absorpcji lasera na powierzchni materiału podczas spawania laserowego zmienia się w zależności od gęstości mocy lasera i temperatury powierzchni materiału. Gdy materiał nie jest stopiony, szybkość absorpcji materiału przez laser powoli wzrasta wraz ze wzrostem temperatury powierzchni materiału. Gdy gęstość mocy jest większa niż (10 ^ 6 w/cm ^ 2), materiał gwałtownie odparowuje, tworząc dziurkę od klucza. Laser wchodzi przez dziurkę od klucza, powodując wielokrotne odbicia i absorpcję, co powoduje znaczny wzrost szybkości absorpcji materiału przez laser i znaczny wzrost głębokości topienia.
Absorpcja lasera przez materiały metalowe – długość fali
Powyższy rysunek przedstawia krzywą zależności pomiędzy współczynnikiem odbicia, absorbancją i długością fali powszechnie stosowanych metali w temperaturze pokojowej. W obszarze podczerwieni szybkość absorpcji maleje, a współczynnik odbicia wzrasta wraz ze wzrostem długości fali. Większość metali silnie odbija światło podczerwone o długości fali 10,6 um (CO2), natomiast słabo odbija światło podczerwone o długości fali 1,06 um (1060 nm). Materiały metalowe mają wyższe współczynniki absorpcji w przypadku laserów o krótkiej długości fali, takich jak światło niebieskie i zielone.
Absorpcja lasera przez materiały metalowe – temperatura materiału i gęstość energii lasera
Biorąc na przykład stop aluminium, gdy materiał jest stały, współczynnik absorpcji lasera wynosi około 5-7%, współczynnik absorpcji cieczy wynosi do 25-35%, a w stanie dziurki od klucza może osiągnąć ponad 90%.
Szybkość absorpcji materiału przez laser wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Szybkość wchłaniania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej jest bardzo niska. Gdy temperatura wzrośnie blisko temperatury topnienia, szybkość wchłaniania może osiągnąć 40% ~ 60%. Jeśli temperatura jest bliska wrzenia, szybkość wchłaniania może sięgać nawet 90%.
Absorpcja lasera przez materiały metalowe – stan powierzchni
Konwencjonalny współczynnik absorpcji mierzy się przy użyciu gładkiej powierzchni metalu, ale w praktycznych zastosowaniach ogrzewania laserowego zwykle konieczne jest zwiększenie współczynnika absorpcji niektórych materiałów o wysokim współczynniku odbicia (aluminium, miedź), aby uniknąć fałszywego lutowania spowodowanego wysokim odbiciem;
Można zastosować następujące metody:
1. Przyjęcie odpowiednich procesów wstępnej obróbki powierzchni w celu poprawy współczynnika odbicia lasera: utlenianie prototypów, piaskowanie, czyszczenie laserem, niklowanie, cynowanie, powlekanie grafitem itp. Może poprawić współczynnik absorpcji lasera przez materiał;
Celem rdzenia jest zwiększenie chropowatości powierzchni materiału (co sprzyja wielokrotnym odbiciom i absorpcji lasera), a także zwiększenie powłoki materiału o dużej szybkości absorpcji. Absorbując energię lasera oraz topiąc ją i ulatniając przez materiały o wysokim współczynniku absorpcji, ciepło lasera jest przekazywane do materiału podstawowego, aby poprawić współczynnik absorpcji materiału i zmniejszyć wirtualne spawanie spowodowane zjawiskiem wysokiego odbicia.
Czas publikacji: 23 listopada 2023 r
