Интеракцијата помеѓу ласерот и материјалите вклучува многу физички феномени и карактеристики. Следните три статии ќе ги претстават трите клучни физички феномени поврзани со процесот на ласерско заварување, со цел да им се обезбеди на колегите појасно разбирање напроцес на ласерско заварување: поделено на стапка на апсорпција на ласерот и промени во состојбата, плазма и ефект на клучалка. Овој пат, ќе ја ажурираме врската помеѓу промените во состојбата на ласерот и материјалите и стапката на апсорпција.
Промени во агрегатната состојба предизвикани од интеракцијата помеѓу ласерот и материјалите
Ласерската обработка на метални материјали главно се базира на термичка обработка на фототермални ефекти. Кога ласерското зрачење се применува на површината на материјалот, ќе се појават различни промени во површината на материјалот при различни густини на моќност. Овие промени вклучуваат зголемување на температурата на површината, топење, испарување, формирање на клучалка и генерирање на плазма. Покрај тоа, промените во физичката состојба на површината на материјалот во голема мера влијаат на апсорпцијата на ласерот од страна на материјалот. Со зголемување на густината на моќност и времето на дејство, металниот материјал ќе претрпи следниве промени во состојбата:
Когаласерска моќгустината е мала (<10 ^ 4w/cm ^ 2) и времето на зрачење е кратко, енергијата на ласерот апсорбирана од металот може само да предизвика зголемување на температурата на материјалот од површината кон внатрешноста, но цврстата фаза останува непроменета. Главно се користи за жарење на делови и третман на стврднување со фазна трансформација, при што најмногу се користат алатки, запчаници и лежишта;
Со зголемување на густината на моќноста на ласерот (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) и продолжување на времето на зрачење, површината на материјалот постепено се топи. Со зголемување на влезната енергија, интерфејсот течност-цврста материја постепено се движи кон длабокиот дел од материјалот. Овој физички процес главно се користи за површинско претопување, легирање, обложување и заварување на метали со топлинска спроводливост.
Со понатамошно зголемување на густината на моќност (>10 ^ 6w/cm ^ 2) и продолжување на времето на дејство на ласерот, површината на материјалот не само што се топи, туку и испарува, а испарените супстанции се собираат во близина на површината на материјалот и слабо јонизираат за да формираат плазма. Оваа тенка плазма му помага на материјалот да го апсорбира ласерот; Под притисок на испарување и експанзија, површината на течноста се деформира и формира вдлабнатини. Оваа фаза може да се користи за ласерско заварување, обично при спојување со топлинска спроводливост на микро врски во рамките на 0,5 mm.
Со понатамошно зголемување на густината на моќност (>10 ^ 7w/cm ^ 2) и продолжување на времето на зрачење, површината на материјалот претрпува силна испарување, формирајќи плазма со висок степен на јонизација. Оваа густа плазма има заштитен ефект врз ласерот, значително намалувајќи ја густината на енергијата на ласерот што паѓа во материјалот. Во исто време, под голема сила на реакција на пареа, во стопениот метал се формираат мали дупки, попознати како клучалки. Постоењето на клучалки е корисно за материјалот да го апсорбира ласерот, а оваа фаза може да се користи за ласерско длабоко фузно заварување, сечење и дупчење, ударно стврднување итн.
Под различни услови, различните бранови должини на ласерското зрачење на различни метални материјали ќе резултираат со специфични вредности на густината на моќност во секоја фаза.
Во однос на апсорпцијата на ласерот од материјалите, испарувањето на материјалите е граница. Кога материјалот не подлежи на испарување, без разлика дали е во цврста или течна фаза, неговата апсорпција на ласерот се менува само бавно со зголемувањето на површинската температура; Откако материјалот ќе испари и ќе формира плазма и клучалки, апсорпцијата на ласерот од страна на материјалот одеднаш ќе се промени.
Како што е прикажано на Слика 2, стапката на апсорпција на ласерот на површината на материјалот за време на ласерското заварување варира во зависност од густината на моќноста на ласерот и температурата на површината на материјалот. Кога материјалот не е стопен, стапката на апсорпција на материјалот кон ласерот полека се зголемува со зголемувањето на температурата на површината на материјалот. Кога густината на моќноста е поголема од (10 ^ 6w/cm ^ 2), материјалот насилно испарува, формирајќи клучалка. Ласерот влегува во клучалката за повеќекратни рефлексии и апсорпција, што резултира со значително зголемување на стапката на апсорпција на материјалот кон ласерот и значително зголемување на длабочината на топење.
Апсорпција на ласер од метални материјали – бранова должина
Горенаведената слика ја покажува кривата на односот помеѓу рефлективноста, апсорпцијата и брановата должина на најчесто користените метали на собна температура. Во инфрацрвениот регион, стапката на апсорпција се намалува, а рефлективноста се зголемува со зголемувањето на брановата должина. Повеќето метали силно рефлектираат инфрацрвена светлина со бранова должина од 10,6 μm (CO2), додека слабо рефлектираат инфрацрвена светлина со бранова должина од 1,06 μm (1060 nm). Металните материјали имаат повисоки стапки на апсорпција за ласери со кратка бранова должина, како што се сината и зелената светлина.
Апсорпција на ласер од метални материјали – Температура на материјалот и густина на енергијата на ласерот
Земајќи ја алуминиумската легура како пример, кога материјалот е цврст, стапката на апсорпција на ласерот е околу 5-7%, стапката на апсорпција на течноста е до 25-35%, а може да достигне над 90% во состојба на клучалка.
Стапката на апсорпција на материјалот кон ласерот се зголемува со зголемување на температурата. Стапката на апсорпција на металните материјали на собна температура е многу ниска. Кога температурата се искачува близу до точката на топење, нејзината стапка на апсорпција може да достигне 40%~60%. Ако температурата е близу до точката на вриење, нејзината стапка на апсорпција може да достигне и до 90%.
Апсорпција на ласер од метални материјали – Состојба на површината
Конвенционалната стапка на апсорпција се мери со помош на мазна метална површина, но во практичните примени на ласерското загревање, обично е потребно да се зголеми стапката на апсорпција на одредени материјали со висока рефлексија (алуминиум, бакар) за да се избегне лажно лемење предизвикано од висока рефлексија;
Може да се користат следниве методи:
1. Усвојувањето на соодветни процеси на површинска претходна обработка за подобрување на рефлективноста на ласерот: оксидација на прототип, пескарење, ласерско чистење, никелирање, калајирање, графитно премачкување итн., може да ја подобри стапката на апсорпција на ласерот од страна на материјалот;
Јадрото е да ја зголеми грубоста на површината на материјалот (што е погодно за повеќекратни ласерски рефлексии и апсорпција), како и да го зголеми материјалот за обложување со висока стапка на апсорпција. Со апсорпција на ласерската енергија и топење и испарување преку материјали со висока стапка на апсорпција, ласерската топлина се пренесува на основниот материјал за да се подобри стапката на апсорпција на материјалот и да се намали виртуелното заварување предизвикано од феноменот на висока рефлексија.
Време на објавување: 23 ноември 2023 година
