Bij de interactie tussen laser en materialen zijn veel fysieke verschijnselen en kenmerken betrokken. De volgende drie artikelen introduceren de drie belangrijkste fysieke verschijnselen die verband houden met het laserlasproces, om collega’s een beter inzicht te geven in delaser lasproces: verdeeld in laserabsorptiesnelheid en toestandsveranderingen, plasma- en sleutelgateffect. Deze keer zullen we de relatie bijwerken tussen veranderingen in de toestand van laser en materialen en de absorptiesnelheid.
Veranderingen in de toestand van materie veroorzaakt door de interactie tussen laser en materialen
De laserverwerking van metalen materialen is voornamelijk gebaseerd op de thermische verwerking van fotothermische effecten. Wanneer laserbestraling op het materiaaloppervlak wordt toegepast, zullen er bij verschillende vermogensdichtheden verschillende veranderingen optreden in het oppervlak van het materiaal. Deze veranderingen omvatten stijging van de oppervlaktetemperatuur, smelten, verdamping, sleutelgatvorming en plasmageneratie. Bovendien hebben de veranderingen in de fysieke toestand van het materiaaloppervlak een grote invloed op de laserabsorptie van het materiaal. Met de toename van de vermogensdichtheid en de actietijd zal het metalen materiaal de volgende toestandsveranderingen ondergaan:
Wanneer delaserkrachtde dichtheid is laag (<10 ^ 4w/cm ^ 2) en de bestralingstijd is kort, de door het metaal geabsorbeerde laserenergie kan er alleen voor zorgen dat de temperatuur van het materiaal van het oppervlak naar binnen stijgt, maar de vaste fase blijft onveranderd . Het wordt voornamelijk gebruikt voor het uitgloeien van onderdelen en het harden van fasetransformaties, waarbij gereedschappen, tandwielen en lagers de meerderheid vormen;
Met de toename van de laservermogensdichtheid (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) en de verlenging van de bestralingstijd smelt het oppervlak van het materiaal geleidelijk. Naarmate de inputenergie toeneemt, beweegt het vloeistof-vaste grensvlak geleidelijk naar het diepe deel van het materiaal. Dit fysieke proces wordt voornamelijk gebruikt voor het hersmelten van oppervlakken, legeren, bekleden en thermisch geleidend lassen van metalen.
Door de vermogensdichtheid verder te verhogen (>10 ^ 6w/cm ^ 2) en de laseractietijd te verlengen, smelt het materiaaloppervlak niet alleen maar verdampt het ook, en de verdampte stoffen verzamelen zich nabij het materiaaloppervlak en ioniseren zwak om een plasma te vormen. Dit dunne plasma helpt het materiaal de laser te absorberen; Onder de druk van verdamping en uitzetting vervormt het vloeistofoppervlak en vormt het putjes. Deze fase kan worden gebruikt voor laserlassen, meestal bij het lassen van thermische geleidbaarheid van microverbindingen binnen 0,5 mm.
Door de vermogensdichtheid verder te verhogen (>10 ^ 7w/cm ^ 2) en de bestralingstijd te verlengen, ondergaat het materiaaloppervlak een sterke verdamping, waardoor een plasma met een hoge ionisatiegraad wordt gevormd. Dit dichte plasma heeft een afschermend effect op de laser, waardoor de energiedichtheid van de laser die in het materiaal valt aanzienlijk wordt verminderd. Tegelijkertijd worden onder een grote dampreactiekracht kleine gaatjes, algemeen bekend als sleutelgaten, gevormd in het gesmolten metaal. Het bestaan van sleutelgaten is gunstig voor het materiaal om laser te absorberen, en deze fase kan worden gebruikt voor laserdiepe fusie lassen, snijden en boren, slagharden, etc.
Onder verschillende omstandigheden zullen verschillende golflengten van laserbestraling op verschillende metalen materialen in elke fase resulteren in specifieke waarden van de vermogensdichtheid.
In termen van de absorptie van laser door materialen is de verdamping van materialen een grens. Wanneer het materiaal geen verdamping ondergaat, hetzij in de vaste of vloeibare fase, verandert de absorptie van de laser slechts langzaam met de toename van de oppervlaktetemperatuur; Zodra het materiaal verdampt en plasma en sleutelgaten vormt, zal de absorptie van laser door het materiaal plotseling veranderen.
Zoals weergegeven in Figuur 2 varieert de absorptiesnelheid van de laser op het materiaaloppervlak tijdens het laserlassen met de laservermogensdichtheid en de temperatuur van het materiaaloppervlak. Wanneer het materiaal niet gesmolten is, neemt de absorptiesnelheid van het materiaal door de laser langzaam toe met de toename van de oppervlaktetemperatuur van het materiaal. Wanneer de vermogensdichtheid groter is dan (10 ^ 6w/cm ^ 2), verdampt het materiaal heftig en vormt een sleutelgat. De laser komt het sleutelgat binnen voor meerdere reflecties en absorptie, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de absorptiesnelheid van het materiaal door de laser en een aanzienlijke toename van de smeltdiepte.
Absorptie van laser door metalen materialen – golflengte
De bovenstaande figuur toont de relatiecurve tussen de reflectiviteit, absorptie en golflengte van veelgebruikte metalen bij kamertemperatuur. In het infraroodgebied neemt de absorptiesnelheid af en neemt de reflectiviteit toe met de toename van de golflengte. De meeste metalen reflecteren infrarood licht met een golflengte van 10,6 um (CO2) sterk, terwijl infrarood licht met een golflengte van 1,06 um (1060 nm) zwak wordt gereflecteerd. Metalen materialen hebben hogere absorptiesnelheden voor lasers met korte golflengte, zoals blauw en groen licht.
Absorptie van laser door metalen materialen – materiaaltemperatuur en laserenergiedichtheid
Als we bijvoorbeeld een aluminiumlegering nemen, bedraagt het laserabsorptiepercentage, wanneer het materiaal massief is, ongeveer 5-7%, het vloeistofabsorptiepercentage maximaal 25-35% en kan in de sleutelgattoestand meer dan 90% bereiken.
De absorptiesnelheid van het materiaal door de laser neemt toe met toenemende temperatuur. De absorptiesnelheid van metalen materialen bij kamertemperatuur is zeer laag. Wanneer de temperatuur tot nabij het smeltpunt stijgt, kan de absorptiesnelheid 40% ~ 60% bereiken. Als de temperatuur dicht bij het kookpunt ligt, kan de absorptiesnelheid oplopen tot 90%.
Absorptie van laser door metalen materialen – oppervlakteconditie
De conventionele absorptiesnelheid wordt gemeten met behulp van een glad metalen oppervlak, maar bij praktische toepassingen van laserverwarming is het meestal nodig om de absorptiesnelheid van bepaalde hoogreflecterende materialen (aluminium, koper) te verhogen om vals solderen veroorzaakt door hoge reflectie te voorkomen;
De volgende methoden kunnen worden gebruikt:
1. Het toepassen van geschikte oppervlaktevoorbehandelingsprocessen om de reflectiviteit van laser te verbeteren: oxidatie van prototypes, zandstralen, laserreiniging, vernikkelen, vertinnen, grafietcoating, enz. kunnen allemaal de absorptiesnelheid van het lasermateriaal verbeteren;
De kern is om de ruwheid van het materiaaloppervlak te vergroten (wat bevorderlijk is voor meerdere laserreflecties en absorptie), en om het coatingmateriaal met een hoge absorptiesnelheid te vergroten. Door laserenergie te absorberen en te smelten en te verdampen door materialen met een hoge absorptiesnelheid, wordt laserwarmte overgebracht naar het basismateriaal om de materiaalabsorptiesnelheid te verbeteren en het virtuele lassen veroorzaakt door hoge reflectieverschijnsels te verminderen.
Posttijd: 23 november 2023
