Interakcja między laserem a materiałami wiąże się z wieloma zjawiskami fizycznymi i cechami. Kolejne trzy artykuły przedstawią trzy kluczowe zjawiska fizyczne związane z procesem spawania laserowego, aby umożliwić współpracownikom lepsze zrozumienie…proces spawania laserowego: podzielone na szybkość absorpcji lasera i zmiany stanu, plazmę i efekt dziurki od klucza. Tym razem zaktualizujemy zależność między zmianami stanu lasera i materiałów a szybkością absorpcji.
Zmiany stanu skupienia materii wywołane interakcją lasera z materiałami
Obróbka laserowa materiałów metalowych opiera się głównie na obróbce cieplnej z wykorzystaniem efektów fototermicznych. Pod wpływem promieniowania laserowego na powierzchnię materiału zachodzą różne zmiany w jego powierzchni przy różnych gęstościach mocy. Zmiany te obejmują wzrost temperatury powierzchni, topnienie, parowanie, powstawanie dziurek od klucza oraz generowanie plazmy. Ponadto zmiany stanu fizycznego powierzchni materiału znacząco wpływają na absorpcję lasera. Wraz ze wzrostem gęstości mocy i czasu działania, stan metalu ulega następującym zmianom:
Kiedymoc laseraGęstość jest niska (<10 4W/cm 2 ), a czas naświetlania krótki. Energia lasera absorbowana przez metal może jedynie spowodować wzrost temperatury materiału od powierzchni do wnętrza, ale faza stała pozostaje niezmieniona. Jest ona wykorzystywana głównie do wyżarzania części i hartowania z przemianą fazową, a w przeważającej części do obróbki narzędzi, kół zębatych i łożysk.
Wraz ze wzrostem gęstości mocy lasera (10^4-10^6W/cm^2) i wydłużeniem czasu naświetlania, powierzchnia materiału stopniowo się topi. Wraz ze wzrostem energii wejściowej, granica faz ciecz-ciało stałe stopniowo przesuwa się w kierunku głębszej warstwy materiału. Ten proces fizyczny jest wykorzystywany głównie do przetapiania powierzchni, stopowania, napawania i spawania termicznego metali.
Poprzez dalsze zwiększenie gęstości mocy (>10^6W/cm^2) i wydłużenie czasu działania lasera, powierzchnia materiału nie tylko topi się, ale również odparowuje, a odparowane substancje gromadzą się w pobliżu powierzchni materiału i ulegają słabej jonizacji, tworząc plazmę. Ta cienka warstwa plazmy pomaga materiałowi absorbować promieniowanie laserowe. Pod wpływem ciśnienia parowania i rozszerzania, powierzchnia cieczy odkształca się i tworzy wżery. Ten etap może być wykorzystywany do spawania laserowego, zazwyczaj w spawaniu przewodności cieplnej mikropołączeń o grubości do 0,5 mm.
Dzięki dalszemu zwiększeniu gęstości mocy (>10^7W/cm^2) i wydłużeniu czasu naświetlania, powierzchnia materiału ulega silnemu odparowaniu, tworząc plazmę o wysokim stopniu jonizacji. Ta gęsta plazma działa ekranująco na laser, znacznie zmniejszając gęstość energii padającej na materiał. Jednocześnie, pod wpływem dużej siły reakcji pary, wewnątrz stopionego metalu tworzą się małe otwory, zwane potocznie dziurkami. Obecność dziurek sprzyja absorpcji lasera przez materiał, a ten etap może być wykorzystywany do laserowego spawania z głębokim wtopieniem, cięcia i wiercenia, hartowania udarowego itp.
W różnych warunkach różne długości fal promieniowania laserowego oddziałujące na różne materiały metalowe będą skutkować określonymi wartościami gęstości mocy na każdym etapie.
W kontekście absorpcji lasera przez materiały, parowanie materiałów stanowi granicę. Gdy materiał nie ulega parowaniu, niezależnie od tego, czy znajduje się w fazie stałej, czy ciekłej, jego absorpcja lasera zmienia się powoli wraz ze wzrostem temperatury powierzchni. Gdy materiał odparuje 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 lasera powoli rośnie wraz ze wzrostem temperatury powierzchni materiału. Gdy gęstość mocy jest większa niż (10^6W/cm^2), materiał gwałtownie paruje, tworząc dziurkę od klucza. Laser wnika w dziurkę od klucza, wielokrotnie odbijając i absorbując wiązkę, co powoduje znaczny wzrost szybkości absorpcji lasera przez materiał i znaczny wzrost głębokości topnienia.
Absorpcja lasera przez materiały metalowe – długość fali
Powyższy rysunek przedstawia krzywą zależności między współczynnikiem odbicia, absorbancją i długością fali powszechnie stosowanych metali w temperaturze pokojowej. W zakresie podczerwieni współczynnik absorpcji maleje, a współczynnik odbicia rośnie wraz ze wzrostem długości fali. Większość metali silnie odbija światło podczerwone o długości fali 10,6 µm (CO2), a słabo odbija światło podczerwone o długości fali 1,06 µm (1060 nm). Materiały metalowe charakteryzują się wyższym współczynnikiem absorpcji dla laserów o krótkiej długości fali, takich jak światło niebieskie i zielone.
Absorpcja lasera przez materiały metalowe – temperatura materiału i gęstość energii lasera
Biorąc za 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%.
Współczynnik absorpcji materiału w kontakcie z laserem rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Współczynnik absorpcji materiałów metalowych w temperaturze pokojowej jest bardzo niski. Gdy temperatura wzrasta do temperatury bliskiej temperaturze topnienia, współczynnik absorpcji może sięgać 40–60%. W temperaturze bliskiej temperaturze wrzenia współczynnik absorpcji może sięgać nawet 90%.
Absorpcja lasera przez materiały metalowe – stan powierzchni
Konwencjonalną szybkość absorpcji mierzy się przy użyciu gładkiej powierzchni metalu, ale w praktycznych zastosowaniach ogrzewania laserowego zwykle konieczne jest zwiększenie szybkości absorpcji niektórych materiałów o wysokim współczynniku odbicia (aluminium, miedź), aby uniknąć fałszywego lutowania spowodowanego wysokim współczynnikiem odbicia;
Można zastosować następujące metody:
1. Zastosowanie odpowiednich procesów wstępnej obróbki powierzchni w celu zwiększenia odbicia lasera: utlenianie prototypów, piaskowanie, czyszczenie laserowe, niklowanie, cynowanie, powlekanie grafitem itp. może poprawić współczynnik absorpcji lasera przez materiał;
Istotą jest zwiększenie chropowatości powierzchni materiału (co sprzyja wielokrotnym odbiciom i absorpcji promieniowania laserowego), a także zwiększenie grubości powłoki o wysokiej absorpcji. Absorbując energię lasera, a następnie topiąc ją i ulatniając w materiałach o wysokiej absorpcji, ciepło lasera jest przekazywane do materiału bazowego, co poprawia absorpcję materiału i redukuje zjawisko wirtualnego spawania spowodowane zjawiskiem silnego odbicia.
Czas publikacji: 23-11-2023
