Взаимодействие лазера и материалов включает в себя множество физических явлений и характеристик. В следующих трех статьях будут представлены три ключевых физических явления, связанных с процессом лазерной сварки, чтобы дать коллегам более четкое представление о процессе лазерной сварки.процесс лазерной сварки: разделен на скорость поглощения лазера и изменения состояния, эффект плазмы и замочной скважины. На этот раз мы обновим взаимосвязь между изменениями состояния лазера и материалов и скоростью поглощения.
Изменения состояния вещества, вызванные взаимодействием лазера и материалов.
Лазерная обработка металлических материалов в основном основана на термической обработке фототермическим воздействием. Когда лазерное облучение применяется к поверхности материала, на площади поверхности материала будут происходить различные изменения при разных плотностях мощности. Эти изменения включают повышение температуры поверхности, плавление, испарение, образование замочной скважины и генерацию плазмы. Более того, изменения физического состояния поверхности материала сильно влияют на поглощение лазера материалом. С увеличением удельной мощности и времени воздействия металлический материал претерпит следующие изменения в состоянии:
Когдамощность лазераплотность низкая (<10^4Вт/см^2) и время облучения короткое, энергия лазера, поглощаемая металлом, может только вызвать повышение температуры материала от поверхности внутрь, но твердая фаза остается неизменной . Он в основном используется для отжига деталей и закалки с фазовым превращением, причем большинство из них составляют инструменты, шестерни и подшипники;
С увеличением плотности мощности лазера (10^4-10^6Вт/см^2) и удлинением времени облучения поверхность материала постепенно плавится. По мере увеличения подводимой энергии граница раздела жидкость-твердое тело постепенно перемещается в глубокую часть материала. Этот физический процесс в основном используется для поверхностного переплава, легирования, плакирования и теплопроводной сварки металлов.
При дальнейшем увеличении плотности мощности (>10^6Вт/см^2) и увеличении времени лазерного воздействия поверхность материала не только плавится, но и испаряется, а испаренные вещества собираются вблизи поверхности материала и слабо ионизируются, образуя плазму. Эта тонкая плазма помогает материалу поглощать лазер; Под давлением испарения и расширения поверхность жидкости деформируется и образует ямки. Этот этап можно использовать для лазерной сварки, обычно при сварке микросоединений с теплопроводностью в пределах 0,5 мм.
При дальнейшем увеличении плотности мощности (>10^7Вт/см^2) и увеличении времени облучения поверхность материала подвергается сильному испарению, образуя плазму с высокой степенью ионизации. Эта плотная плазма оказывает экранирующее действие на лазер, значительно снижая плотность энергии лазерного излучения, падающего на материал. В то же время под действием большой силы реакции пара внутри расплавленного металла образуются небольшие отверстия, обычно известные как замочные скважины. Наличие замочных скважин выгодно для материала, поглощающего лазер, и этот этап можно использовать для лазерной глубокой сварки. сварка, резка и сверление, ударная закалка и т. д.
В разных условиях разные длины волн лазерного облучения разных металлических материалов приведут к определенным значениям плотности мощности на каждом этапе.
С точки зрения поглощения лазера материалами, испарение материалов является границей. Когда материал не подвергается испарению, будь то в твердой или жидкой фазе, его поглощение лазера меняется лишь медленно с увеличением температуры поверхности; Как только материал испаряется и образует плазму и замочные скважины, поглощение лазера материалом внезапно изменится.
Как показано на рисунке 2, скорость поглощения лазера на поверхности материала во время лазерной сварки зависит от плотности мощности лазера и температуры поверхности материала. Когда материал не расплавлен, скорость поглощения материала лазером медленно увеличивается с увеличением температуры поверхности материала. Когда плотность мощности превышает (10^6Вт/см^2), материал бурно испаряется, образуя замочную скважину. Лазер попадает в замочную скважину для многократного отражения и поглощения, что приводит к значительному увеличению скорости поглощения материала лазером и значительному увеличению глубины плавления.
Поглощение лазера металлическими материалами – длина волны
На рисунке выше показана кривая зависимости между отражательной способностью, поглощением и длиной волны обычно используемых металлов при комнатной температуре. В инфракрасной области скорость поглощения уменьшается, а отражательная способность увеличивается с увеличением длины волны. Большинство металлов сильно отражают инфракрасный свет с длиной волны 10,6 мкм (CO2) и слабо отражают инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм (1060 нм). Металлические материалы имеют более высокую скорость поглощения коротковолновых лазеров, таких как синий и зеленый свет.
Поглощение лазера металлическими материалами – температура материала и плотность лазерной энергии
Если взять в качестве примера алюминиевый сплав, то когда материал твердый, уровень поглощения лазера составляет около 5-7%, уровень поглощения жидкости - до 25-35%, а в состоянии замочной скважины он может достигать более 90%.
Скорость поглощения материала лазером увеличивается с повышением температуры. Скорость поглощения металлических материалов при комнатной температуре очень низкая. Когда температура поднимается почти до точки плавления, скорость поглощения может достигать 40–60%. Если температура близка к температуре кипения, скорость его поглощения может достигать 90%.
Поглощение лазера металлическими материалами – состояние поверхности
Обычная скорость поглощения измеряется с использованием гладкой металлической поверхности, но при практическом применении лазерного нагрева обычно необходимо увеличить скорость поглощения некоторых материалов с высоким отражением (алюминий, медь), чтобы избежать ложной пайки, вызванной высоким отражением;
Можно использовать следующие методы:
1. Принятие соответствующих процессов предварительной обработки поверхности для улучшения отражательной способности лазера: окисление прототипа, пескоструйная обработка, лазерная очистка, никелирование, олово, графитовое покрытие и т. д. - все это может улучшить скорость поглощения лазера материалом;
Суть заключается в увеличении шероховатости поверхности материала (что способствует многократному отражению и поглощению лазера), а также в увеличении материала покрытия с высокой скоростью поглощения. Поглощая лазерную энергию, плавя и испаряя ее с помощью материалов с высокой скоростью поглощения, лазерное тепло передается основному материалу, чтобы улучшить скорость поглощения материала и уменьшить виртуальную сварку, вызванную явлением высокого отражения.
Время публикации: 23 ноября 2023 г.
