De interactie tussen laser en materialen omvat vele fysische verschijnselen en eigenschappen. De volgende drie artikelen zullen de drie belangrijkste fysische verschijnselen met betrekking tot het laserlasproces introduceren om collega's een beter begrip te geven van dit proces.laserlasprocesDit is onderverdeeld in laserabsorptiesnelheid en veranderingen in de toestand, plasma en sleutelgateffect. Deze keer zullen we de relatie tussen veranderingen in de toestand van de laser en materialen en de absorptiesnelheid bijwerken.
Veranderingen in de toestand van materie veroorzaakt door de interactie tussen laser en materialen.
De laserbewerking van metalen materialen is hoofdzakelijk gebaseerd op thermische processen met fotothermische effecten. Wanneer laserstraling op het materiaaloppervlak wordt toegepast, treden er bij verschillende vermogensdichtheden diverse veranderingen op in het oppervlak van het materiaal. Deze veranderingen omvatten een stijging van de oppervlaktetemperatuur, smelten, verdamping, de vorming van sleutelgaten en plasmavorming. Bovendien beïnvloeden de veranderingen in de fysische toestand van het materiaaloppervlak de laserabsorptie van het materiaal aanzienlijk. Met toenemende vermogensdichtheid en inwerktijd ondergaat het metalen materiaal de volgende toestandsveranderingen:
Wanneer delaservermogenOmdat de dichtheid laag is (<10⁴ W/cm²) en de bestralingstijd kort, kan de door het metaal geabsorbeerde laserenergie er alleen voor zorgen dat de temperatuur van het materiaal van het oppervlak naar binnen stijgt, terwijl de vaste fase onveranderd blijft. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het gloeien van onderdelen en faseomzettingsharding, waarbij gereedschappen, tandwielen en lagers het meest worden toegepast.
Bij een hogere laservermogensdichtheid (10⁴-10⁶ W/cm²) en een langere bestralingstijd smelt het oppervlak van het materiaal geleidelijk. Naarmate de ingevoerde energie toeneemt, verschuift het grensvlak tussen vloeistof en vast materiaal steeds verder naar de diepere delen van het materiaal. Dit fysische proces wordt voornamelijk gebruikt voor oppervlaktesmelten, legeren, bekleden en thermisch geleidend lassen van metalen.
Door de vermogensdichtheid verder te verhogen (>10⁶ W/cm²) en de laserwerkingstijd te verlengen, smelt het materiaaloppervlak niet alleen, maar verdampt het ook. De verdampte stoffen verzamelen zich nabij het materiaaloppervlak en ioniseren zwak, waardoor een plasma ontstaat. Dit dunne plasma helpt het materiaal de laser te absorberen. Onder de druk van verdamping en uitzetting vervormt het vloeibare oppervlak en ontstaan er putjes. Deze fase kan worden gebruikt voor laserlassen, meestal voor het thermisch geleidend lassen van microverbindingen tot 0,5 mm.
Door de vermogensdichtheid verder te verhogen (>10⁷ W/cm²) en de bestralingstijd te verlengen, ondergaat het materiaaloppervlak een sterke verdamping, waarbij een plasma met een hoge ionisatiegraad ontstaat. Dit dichte plasma heeft een afschermend effect op de laser, waardoor de energiedichtheid van de laser die op het materiaal invalt sterk wordt verminderd. Tegelijkertijd worden onder invloed van een grote verdampingsreactiekracht kleine gaatjes, ook wel sleutelgaten genoemd, gevormd in het gesmolten metaal. De aanwezigheid van sleutelgaten is gunstig voor de laserabsorptie in het materiaal, en deze fase kan worden gebruikt voor laserlassen, snijden en boren, stootharding, enzovoort.
Onder verschillende omstandigheden zullen verschillende golflengten van laserstraling op verschillende metalen materialen resulteren in specifieke waarden van vermogensdichtheid in elke fase.
Wat de absorptie van laserlicht door materialen betreft, vormt verdamping een grens. Wanneer het materiaal niet verdampt, of het nu in vaste of vloeibare fase verkeert, verandert de laserabsorptie slechts langzaam met de stijging van de oppervlaktetemperatuur. Zodra het materiaal verdampt en plasma en sleutelgaten vormt, verandert de laserabsorptie van het materiaal abrupt.
Zoals weergegeven in Figuur 2, varieert de absorptiesnelheid van de laser op het materiaaloppervlak tijdens laserlassen met de laservermogensdichtheid en de materiaaltemperatuur. Wanneer het materiaal niet gesmolten is, neemt de absorptiesnelheid van het materiaal voor de laser langzaam toe met de stijging van de materiaaltemperatuur. Wanneer de vermogensdichtheid groter is dan (10⁶ W/cm²), verdampt het materiaal heftig, waardoor een sleutelgat ontstaat. De laser dringt het sleutelgat binnen en ondergaat meerdere reflecties en absorptie, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de absorptiesnelheid van het materiaal voor de laser en een aanzienlijke toename van de smeltdiepte.
Absorptie van laserlicht door metalen materialen – Golflengte
De bovenstaande afbeelding toont de relatiecurve tussen de reflectiviteit, absorptie en golflengte van veelgebruikte metalen bij kamertemperatuur. In het infraroodgebied neemt de absorptiesnelheid af en de reflectiviteit toe met de toename van de golflengte. De meeste metalen reflecteren infrarood licht met een golflengte van 10,6 µm (CO2) sterk, terwijl ze infrarood licht met een golflengte van 1,06 µm (1060 nm) zwak reflecteren. Metalen materialen hebben een hogere absorptiesnelheid voor lasers met een korte golflengte, zoals blauw en groen licht.
Absorptie van laserlicht door metalen materialen – Materiaaltemperatuur en laserenergiedichtheid
Neem bijvoorbeeld een aluminiumlegering: wanneer het materiaal vast is, bedraagt de laserabsorptie ongeveer 5-7%, in vloeibare vorm loopt deze op tot 25-35%, en in de sleutelgatvorm kan deze zelfs meer dan 90% bereiken.
De absorptiesnelheid van het materiaal door de laser neemt toe met stijgende temperatuur. De absorptiesnelheid van metalen materialen is bij kamertemperatuur erg laag. Wanneer de temperatuur stijgt tot bijna het smeltpunt, kan de absorptiesnelheid 40% tot 60% bereiken. Als de temperatuur dicht bij het kookpunt ligt, kan de absorptiesnelheid oplopen tot wel 90%.
Absorptie van laserlicht 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 materialen met een hoge reflectie (aluminium, koper) te verhogen om valse soldeerverbindingen als gevolg van hoge reflectie te voorkomen;
De volgende methoden kunnen worden gebruikt:
1. Het toepassen van geschikte oppervlaktevoorbehandelingsprocessen om de reflectiviteit van de laser te verbeteren: oxidatie van het prototype, zandstralen, laserreiniging, vernikkelen, vertinnen, grafietcoating, enz. kunnen allemaal de absorptiesnelheid van de laser door het materiaal verbeteren;
De kern van de methode is het verhogen van de ruwheid van het materiaaloppervlak (wat bevorderlijk is voor meervoudige laserreflecties en -absorptie), en het toevoegen van een coatingmateriaal met een hoge absorptiesnelheid. Door laserenergie te absorberen en deze te smelten en te laten verdampen via materialen met een hoge absorptiesnelheid, wordt de laserwarmte overgedragen op het basismateriaal. Dit verbetert de absorptiesnelheid van het materiaal en vermindert het virtuele lassen dat wordt veroorzaakt door het fenomeen van hoge reflectie.
Geplaatst op: 23 november 2023
