Взаимодействие лазера с материалами включает в себя множество физических явлений и характеристик. В следующих трех статьях будут рассмотрены три ключевых физических явления, связанных с процессом лазерной сварки, чтобы дать коллегам более ясное понимание этого процесса.процесс лазерной сваркиРазделение на коэффициент поглощения лазерного излучения и изменения состояния, плазменный эффект и эффект «замочной скважины». В этот раз мы обновим информацию о взаимосвязи между изменениями состояния лазера и материалов и коэффициентом поглощения.
Изменения агрегатного состояния вещества, вызванные взаимодействием лазера с материалами.
Лазерная обработка металлических материалов в основном основана на термической обработке с использованием фототермических эффектов. При воздействии лазерного излучения на поверхность материала при различных плотностях мощности происходят различные изменения в его поверхностном слое. Эти изменения включают повышение температуры поверхности, плавление, испарение, образование сквозных отверстий и генерацию плазмы. Кроме того, изменения физического состояния поверхности материала значительно влияют на поглощение лазерного излучения. С увеличением плотности мощности и времени воздействия металлический материал претерпевает следующие изменения состояния:
Когдалазерная мощностьПлотность низкая (<10 ^ 4 Вт/см ^ 2), а время облучения короткое, поэтому энергия лазера, поглощаемая металлом, может вызывать лишь повышение температуры материала от поверхности к центру, но твердая фаза остается неизменной. В основном используется для отжига деталей и упрочнения за счет фазовых превращений, в основном для инструментов, шестерен и подшипников.
С увеличением плотности мощности лазера (10⁴-10⁶ Вт/см²) и увеличением времени облучения поверхность материала постепенно плавится. По мере увеличения подводимой энергии граница раздела жидкость-твердое тело постепенно перемещается вглубь материала. Этот физический процесс в основном используется для переплавления поверхности, легирования, наплавки и теплопроводящей сварки металлов.
Дальнейшее увеличение плотности мощности (>10 ^ 6 Вт/см ^ 2) и продление времени воздействия лазера приводит к тому, что 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 лазерное излучение; под давлением испарения и расширения жидкая поверхность деформируется и образует ямки. Этот этап может быть использован для лазерной сварки, обычно при сварке микросоединений с теплопроводностью в пределах 0,5 мм.
Дальнейшее увеличение плотности мощности (>10⁷ Вт/см²) и продление времени облучения приводит к сильному испарению материала с образованием плазмы с высокой степенью ионизации. Эта плотная плазма оказывает экранирующее воздействие на лазер, значительно снижая плотность энергии лазерного излучения, падающего на материал. В то же время, под действием большой силы реакции паров, внутри расплавленного металла образуются небольшие отверстия, обычно называемые «замочными скважинами». Наличие «замочных скважин» способствует поглощению лазерного излучения материалом, и этот этап может быть использован для лазерной глубокой сварки, резки и сверления, ударной закалки и т. д.
В различных условиях, при облучении различных металлических материалов лазером с разной длиной волны, на каждом этапе будут наблюдаться определенные значения плотности мощности.
С точки зрения поглощения лазерного излучения материалами, испарение материала является граничным условием. Когда материал не испаряется, будь то в твердой или жидкой фазе, его поглощение лазерного излучения изменяется лишь медленно с повышением температуры поверхности; как только материал испаряется и образует плазму и сквозные отверстия, поглощение лазерного излучения материалом резко меняется.
Как показано на рисунке 2, скорость поглощения лазерного излучения на поверхности материала во время лазерной сварки изменяется в зависимости от плотности мощности лазера и температуры поверхности материала. Когда материал не расплавлен, скорость поглощения лазерного излучения материалом медленно увеличивается с повышением температуры поверхности материала. Когда плотность мощности превышает (10 ^ 6 Вт/см ^ 2), материал интенсивно испаряется, образуя сквозное отверстие. Лазерное излучение проникает в это отверстие, многократно отражаясь и поглощаясь, что приводит к значительному увеличению скорости поглощения лазерного излучения материалом и значительному увеличению глубины плавления.
Поглощение лазерного излучения металлическими материалами – длина волны
На приведенном выше рисунке показана зависимость коэффициента отражения, поглощения и длины волны для широко используемых металлов при комнатной температуре. В инфракрасном диапазоне скорость поглощения уменьшается, а коэффициент отражения увеличивается с увеличением длины волны. Большинство металлов сильно отражают инфракрасный свет с длиной волны 10,6 мкм (CO2), в то время как слабо отражают инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм (1060 нм). Металлические материалы имеют более высокие коэффициенты поглощения для лазеров с короткой длиной волны, таких как синий и зеленый свет.
Поглощение лазерного излучения металлическими материалами – температура материала и плотность лазерной энергии.
В качестве примера рассмотрим алюминиевый сплав: в твердом состоянии коэффициент поглощения лазерного излучения составляет около 5-7%, в жидком — до 25-35%, а в состоянии «замочной скважины» может достигать более 90%.
Степень поглощения лазерного излучения материалом возрастает с повышением температуры. Степень поглощения металлических материалов при комнатной температуре очень низка. При повышении температуры до температуры, близкой к точке плавления, степень поглощения может достигать 40–60%. Если температура близка к точке кипения, степень поглощения может достигать 90%.
Поглощение лазерного излучения металлическими материалами – состояние поверхности
Обычно коэффициент поглощения измеряется с использованием гладкой металлической поверхности, но в практических применениях лазерного нагрева, как правило, необходимо увеличивать коэффициент поглощения некоторых материалов с высоким коэффициентом отражения (алюминий, медь), чтобы избежать ложной пайки, вызванной высоким отражением;
Можно использовать следующие методы:
1. Применение соответствующих процессов предварительной обработки поверхности для улучшения отражательной способности лазера: оксидирование прототипа, пескоструйная обработка, лазерная очистка, никелирование, лужение, графитовое покрытие и т. д. — все это может повысить коэффициент поглощения лазерного излучения материалом;
Основная задача заключается в увеличении шероховатости поверхности материала (что способствует многократному отражению и поглощению лазерного излучения), а также в увеличении количества покрытия с высокой степенью поглощения. Поглощая лазерную энергию и плавя и испаряя её через материалы с высокой степенью поглощения, лазерное тепло передаётся на основной материал, повышая степень поглощения и уменьшая эффект «виртуальной сварки», вызванный явлением сильного отражения.
Дата публикации: 23 ноября 2023 г.
