Laserin ja materiaalien vuorovaikutukseen liittyy monia fysikaalisia ilmiöitä ja ominaisuuksia. Seuraavat kolme artikkelia esittelevät kolme keskeistä laserhitsausprosessiin liittyvää fyysistä ilmiötä, jotta kollegat saisivat selkeämmän käsityksenlaserhitsausprosessi: jaettu laserin absorptionopeuteen ja tilan muutoksiin, plasma- ja avaimenreikävaikutukseen. Tällä kertaa päivitämme laserin ja materiaalien tilan muutosten ja absorptionopeuden välisen suhteen.
Laserin ja materiaalien välisen vuorovaikutuksen aiheuttamat aineen tilan muutokset
Metallimateriaalien laserkäsittely perustuu pääasiassa fototermisten vaikutusten lämpökäsittelyyn. Kun materiaalin pintaan kohdistetaan lasersäteilyä, materiaalin pinta-alassa tapahtuu erilaisia muutoksia eri tehotiheyksillä. Näitä muutoksia ovat pintalämpötilan nousu, sulaminen, höyrystyminen, avaimenreikien muodostuminen ja plasman muodostuminen. Lisäksi materiaalin pinta-alan fysikaalisen tilan muutokset vaikuttavat suuresti materiaalin laserin absorptioon. Tehon tiheyden ja toiminta-ajan kasvaessa metallimateriaalin tilassa tapahtuu seuraavat muutokset:
Kunlasertehotiheys on pieni (<10 ^ 4w/cm ^ 2) ja säteilytysaika lyhyt, metallin absorboima laserenergia voi vain saada materiaalin lämpötilan nousemaan pinnasta sisään, mutta kiinteä faasi pysyy muuttumattomana . Sitä käytetään pääasiassa osien hehkutukseen ja faasimuunnoskarkaisukäsittelyyn, ja työkalut, vaihteet ja laakerit ovat enemmistönä;
Lasertehotiheyden (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) kasvaessa ja säteilytysajan pidentyessä materiaalin pinta vähitellen sulaa. Kun syöttöenergia kasvaa, neste-kiinteä-rajapinta siirtyy vähitellen kohti materiaalin syvää osaa. Tätä fysikaalista prosessia käytetään pääasiassa metallien pinnan uudelleensulatukseen, seostukseen, päällystykseen ja lämmönjohtavuushitsaukseen.
Lisäämällä edelleen tehotiheyttä (>10 ^ 6w/cm ^ 2) ja pidentämällä laserin toiminta-aikaa materiaalin pinta ei vain sula, vaan myös höyrystyy, ja höyrystyneet aineet kerääntyvät lähelle materiaalin pintaa ja heikosti ionisoituvat muodostaen plasmaa. Tämä ohut plasma auttaa materiaalia imemään laseria; Höyrystymis- ja laajenemispaineen alaisena nesteen pinta muotoutuu ja muodostaa kuoppia. Tätä vaihetta voidaan käyttää laserhitsaukseen, yleensä 0,5 mm:n sisällä olevien mikroliitosten lämmönjohtavuushitsauksessa.
Lisäämällä edelleen tehotiheyttä (> 10 ^ 7w/cm ^ 2) ja pidentämällä säteilytysaikaa materiaalin pinta läpikäy voimakkaan höyrystymisen, jolloin muodostuu plasma, jolla on korkea ionisaatioaste. Tällä tiheällä plasmalla on laseria suojaava vaikutus, mikä vähentää huomattavasti materiaaliin tulevan laserin energiatiheyttä. Samaan aikaan suuren höyryreaktiovoiman alaisena sulan metallin sisään muodostuu pieniä reikiä, jotka tunnetaan yleisesti avaimenreikinä. Avaimenreikien olemassaolo on hyödyllistä materiaalille absorboimaan laseria, ja tätä vaihetta voidaan käyttää lasersyväfuusiossa. hitsaus, leikkaus ja poraus, iskukarkaisu jne.
Eri olosuhteissa lasersäteilyn eri aallonpituudet eri metallimateriaaleihin johtavat erityisiin tehotiheyden arvoihin kussakin vaiheessa.
Laserin materiaalien absorption kannalta materiaalien höyrystyminen on rajana. Kun materiaali ei höyrysty, joko kiinteässä tai nestefaasissa, sen laserin absorptio muuttuu vain hitaasti pintalämpötilan noustessa; Kun materiaali höyrystyy ja muodostaa plasmaa ja avaimenreikiä, materiaalin laserin absorptio muuttuu yhtäkkiä.
Kuten kuvasta 2 näkyy, laserin absorptionopeus materiaalin pinnalla laserhitsauksen aikana vaihtelee laserin tehotiheyden ja materiaalin pinnan lämpötilan mukaan. Kun materiaali ei ole sulanut, materiaalin absorptionopeus laseriin kasvaa hitaasti materiaalin pintalämpötilan noustessa. Kun tehotiheys on suurempi kuin (10 ^ 6w/cm ^ 2), materiaali höyrystyy voimakkaasti muodostaen avaimenreiän. Laser menee avaimenreikään useiden heijastusten ja absorption vuoksi, mikä lisää merkittävästi materiaalin absorptionopeutta laseriin ja lisää merkittävästi sulamissyvyyttä.
Laserin imeytyminen metallimateriaaleihin – aallonpituus
Yllä oleva kuva näyttää suhdekäyrän yleisesti käytettyjen metallien heijastavuuden, absorbanssin ja aallonpituuden välillä huoneenlämpötilassa. Infrapuna-alueella absorptionopeus pienenee ja heijastuskyky kasvaa aallonpituuden kasvaessa. Useimmat metallit heijastavat voimakkaasti 10,6 um (CO2) aallonpituuden infrapunavaloa, kun taas heikosti heijastavat 1,06 um (1060 nm) aallonpituuden infrapunavaloa. Metallimateriaalien, kuten sinisen ja vihreän valon, absorptionopeus on korkeampi lyhyen aallonpituuksilla lasereille.
Laserin imeytyminen metallimateriaaleihin – materiaalin lämpötila ja laserenergian tiheys
Esimerkkinä alumiiniseoksesta, kun materiaali on kiinteää, laserin absorptionopeus on noin 5-7%, nesteen absorptionopeus on jopa 25-35%, ja se voi nousta yli 90% avaimenreikätilassa.
Materiaalin absorptionopeus laseriin kasvaa lämpötilan noustessa. Metallimateriaalien absorptionopeus huoneenlämpötilassa on hyvin alhainen. Kun lämpötila nousee lähelle sulamispistettä, sen absorptionopeus voi olla 40-60%. Jos lämpötila on lähellä kiehumispistettä, sen absorptionopeus voi olla jopa 90 %.
Laserin imeytyminen metallimateriaaleihin – Pinnan kunto
Perinteinen absorptionopeus mitataan sileällä metallipinnalla, mutta laserlämmityksen käytännön sovelluksissa on yleensä tarpeen lisätä tiettyjen voimakkaasti heijastavien materiaalien (alumiini, kupari) absorptionopeutta suuren heijastuksen aiheuttaman väärän juottamisen välttämiseksi;
Seuraavia menetelmiä voidaan käyttää:
1. Asianmukaisten pinnan esikäsittelyprosessien ottaminen käyttöön laserin heijastavuuden parantamiseksi: prototyypin hapetus, hiekkapuhallus, laserpuhdistus, nikkelipinnoitus, tinapinnoitus, grafiittipinnoitus jne. voivat kaikki parantaa materiaalin laserin absorptionopeutta;
Ytimen tarkoituksena on lisätä materiaalin pinnan karheutta (joka edistää useita laserheijastuksia ja absorptiota) sekä lisätä pinnoitemateriaalia korkealla absorptionopeudella. Absorboimalla laserenergiaa ja sulattamalla ja haihduttamalla sen korkean absorptionopeuden materiaalien läpi, laserlämpö siirtyy perusmateriaaliin parantamaan materiaalin absorptionopeutta ja vähentämään korkean heijastusilmiön aiheuttamaa virtuaalista hitsausta.
Postitusaika: 23.11.2023
