Laserin ja materiaalien välinen vuorovaikutus sisältää monia fysikaalisia ilmiöitä ja ominaisuuksia. Seuraavissa kolmessa artikkelissa esitellään kolme keskeistä laserhitsausprosessiin liittyvää fysikaalista ilmiötä, jotta kollegat saisivat niistä selkeämmän käsityksen.laserhitsausprosessiJaettu laserin absorptioasteeseen ja olomuodon muutoksiin, plasmaan ja avaimenreikäefektiin. Tällä kertaa päivitämme laserin ja materiaalien olomuodon muutosten sekä absorptioasteen välistä suhdetta.
Laserin ja materiaalien välisen vuorovaikutuksen aiheuttamat olomuodon muutokset
Metallimateriaalien laserkäsittely perustuu pääasiassa fototermisten vaikutusten lämpökäsittelyyn. Kun lasersäteilyä kohdistetaan materiaalin pintaan, materiaalin pinta-alaan tapahtuu erilaisia muutoksia eri tehotiheyksillä. Näitä muutoksia ovat pinnan lämpötilan nousu, sulaminen, höyrystyminen, tähystysreiän muodostuminen ja plasman muodostuminen. Lisäksi materiaalin pinta-alan fysikaalisen olomuodon muutokset vaikuttavat suuresti materiaalin laserin absorptioon. Tehotiheyden ja vaikutusajan kasvaessa metallimateriaalissa tapahtuu seuraavia olomuodon muutoksia:
Kunlasertehotiheys on alhainen (<10^4w/cm^2) ja säteilytysaika on lyhyt, metallin absorboima laserenergia voi aiheuttaa vain materiaalin lämpötilan nousun pinnalta sisäänpäin, mutta kiinteä faasi pysyy muuttumattomana. Sitä käytetään pääasiassa osien hehkutus- ja faasimuutoskarkaisukäsittelyyn, ja työkalut, hammaspyörät ja laakerit ovat enimmäkseen käytössä;
Lasertehon tiheyden kasvaessa (10^4-10^6w/cm^2) ja säteilytysajan pidentyessä materiaalin pinta sulaa vähitellen. Syöttöenergian kasvaessa nesteen ja kiinteän aineen rajapinta siirtyy vähitellen materiaalin syvempään osaan. Tätä fysikaalista prosessia käytetään pääasiassa metallien pinnan uudelleensulattamiseen, seostamiseen, pinnoitukseen ja lämmönjohtavuushitsaukseen.
Tehotiheyden lisääminen (>10^6w/cm^2) ja laserin vaikutusajan pidentäminen johtaa materiaalin pinnan paitsi sulamiseen myös höyrystymiseen, ja höyrystyneet aineet kerääntyvät materiaalin pinnan lähelle ja ionisoituvat heikosti muodostaen plasmaa. Tämä ohut plasma auttaa materiaalia absorboimaan laserin. Höyrystymis- ja laajenemispaineen vaikutuksesta nestepinta muuttaa muotoaan ja muodostaa kuoppia. Tätä vaihetta voidaan käyttää laserhitsaukseen, yleensä 0,5 mm:n sisällä olevien mikroliitosten liitoshitsauksessa lämmönjohtavuuden osalta.
Tehotiheyden lisääminen (>10^7w/cm^2) ja säteilytysajan pidentäminen johtaa materiaalin pinnan voimakkaaseen höyrystymiseen, jolloin muodostuu plasma, jolla on korkea ionisaatioaste. Tällä tiheällä plasmalla on lasersäteilyä suojaava vaikutus, mikä vähentää merkittävästi materiaaliin tulevan lasersäteen energiatiheyttä. Samanaikaisesti suuren höyryreaktiovoiman vaikutuksesta sulan metallin sisään muodostuu pieniä reikiä, joita kutsutaan avaimenreiiksi. Avaimenreikien olemassaolo on hyödyllistä materiaalille laserin absorboimiseksi, ja tätä vaihetta voidaan käyttää lasersyvähitsaukseen, leikkaukseen ja poraukseen, iskukarkaisuun jne.
Eri olosuhteissa eri metallimateriaaleille kohdistetun lasersäteilyn eri aallonpituudet johtavat tiettyihin tehotiheyden arvoihin kussakin vaiheessa.
Lasersäteen absorption materiaaleihin kannalta materiaalien höyrystyminen on raja-arvo. Kun materiaali ei höyrysty, olipa se sitten kiinteässä tai nestemäisessä faasissa, sen lasersäteen absorptio muuttuu vain hitaasti pintalämpötilan noustessa. Kun materiaali höyrystyy ja muodostaa plasmaa ja tähystysreikiä, materiaalin lasersäteen absorptio muuttuu äkillisesti.
Kuten kuvassa 2 on esitetty, laserin absorptionopeus materiaalin pinnalla laserhitsauksen aikana vaihtelee laserin tehotiheyden ja materiaalin pintalämpötilan 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 useita heijastuksia ja absorptiota varten, mikä johtaa materiaalin absorptionopeuden merkittävään kasvuun laseriin ja merkittävään sulamissyvyyden kasvuun.
Lasersäteen absorptio metallimateriaaleihin – aallonpituus
Yllä oleva kuva näyttää yleisesti käytettyjen metallien heijastavuuden, absorbanssin ja aallonpituuden välisen suhdekäyrän huoneenlämmössä. Infrapuna-alueella absorptionopeus pienenee ja heijastavuus kasvaa aallonpituuden kasvaessa. Useimmat metallit heijastavat voimakkaasti 10,6 µm:n (CO2) aallonpituuden infrapunavaloa, kun taas heikosti 1,06 µm:n (1060 nm) aallonpituuden infrapunavaloa. Metallimateriaaleilla on korkeammat absorptionopeudet lyhytaaltoisille lasereille, kuten siniselle ja vihreälle valolle.
Lasersäteen absorptio metallimateriaaleissa – materiaalin lämpötila ja laserenergian tiheys
Esimerkiksi alumiiniseoksesta laserin absorptionopeus kiinteässä tilassa on noin 5–7 %, nesteen absorptionopeus jopa 25–35 % ja avaimenreiän tilassa yli 90 %.
Materiaalin absorptionopeus lasersäteilyyn kasvaa lämpötilan noustessa. Metallimateriaalien absorptionopeus huoneenlämmössä on hyvin alhainen. Kun lämpötila nousee lähelle sulamispistettä, sen absorptionopeus voi nousta 40–60 prosenttiin. Jos lämpötila on lähellä kiehumispistettä, sen absorptionopeus voi nousta jopa 90 prosenttiin.
Lasersäteen absorptio metallimateriaaleihin – pinnan kunto
Tavanomainen absorptionopeus mitataan sileällä metallipinnalla, mutta laserlämmityksen käytännön sovelluksissa on yleensä tarpeen lisätä tiettyjen korkean heijastuksen omaavien materiaalien (alumiini, kupari) absorptionopeutta, jotta vältetään korkean heijastuksen aiheuttamat väärät juotokset;
Seuraavia menetelmiä voidaan käyttää:
1. Sopivien pintakäsittelyprosessien käyttöönotto laserin heijastavuuden parantamiseksi: prototyypin hapetus, hiekkapuhallus, laserpuhdistus, nikkelipinnoitus, tinapinnoitus, grafiittipinnoitus jne. voivat kaikki parantaa materiaalin laserin absorptionopeutta;
Ytimen tarkoituksena on lisätä materiaalin pinnan karheutta (mikä edistää useita laserheijastuksia ja -absorptiota) sekä lisätä pinnoitemateriaalin absorptionopeutta. Imemällä laserenergiaa ja sulattamalla ja höyrystämällä sitä korkean absorptionopeuden omaavien materiaalien läpi, laserlämpö siirtyy perusmateriaaliin, mikä parantaa materiaalin absorptionopeutta ja vähentää korkean heijastuksen aiheuttamaa virtuaalista hitsausta.
Julkaisun aika: 23.11.2023
