A lézer és az anyagok közötti kölcsönhatás számos fizikai jelenséget és jellemzőt foglal magában. A következő három cikk a lézeres hegesztési folyamat három kulcsfontosságú fizikai jelenségét mutatja be annak érdekében, hogy a kollégák jobban megértséklézeres hegesztési eljárás: osztva lézerelnyelési sebességre és állapotváltozásokra, plazmára és kulcslyuk hatásra. Ezúttal frissítjük a lézer és az anyagok állapotának változása és az abszorpciós sebesség közötti összefüggést.
A lézer és az anyagok kölcsönhatása által okozott halmazállapot-változások
A fémanyagok lézeres feldolgozása elsősorban a fototermikus hatások hőfeldolgozásán alapul. Ha lézeres besugárzást alkalmaznak az anyag felületén, az anyag felületében különböző változások következnek be különböző teljesítménysűrűség mellett. Ezek a változások közé tartozik a felületi hőmérséklet emelkedése, az olvadás, a párologtatás, a kulcslyuk képződése és a plazmaképződés. Ezenkívül az anyag felületének fizikai állapotában bekövetkező változások nagymértékben befolyásolják az anyag lézerelnyelését. A teljesítménysűrűség és a hatásidő növekedésével a fémanyag a következő állapotváltozásokon megy keresztül:
Amikor alézer teljesítménya sűrűség alacsony (<10 ^ 4w/cm ^ 2) és a besugárzási idő rövid, a fém által elnyelt lézerenergia csak az anyag hőmérsékletének a felületről befelé történő emelkedését tudja okozni, de a szilárd fázis változatlan marad . Főleg részek lágyítására és fázistranszformációs edzési kezelésére használják, többségében szerszámok, fogaskerekek és csapágyak;
A lézer teljesítménysűrűségének növekedésével (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) és a besugárzási idő megnyúlásával az anyag felülete fokozatosan megolvad. A bemeneti energia növekedésével a folyadék-szilárd határfelület fokozatosan az anyag mély része felé mozdul el. Ezt a fizikai eljárást elsősorban fémek felületi újraolvasztására, ötvözésére, burkolására és hővezető hegesztésére használják.
A teljesítménysűrűség további növelésével (>10 ^ 6w/cm ^ 2) és a lézer hatásidejének meghosszabbításával az anyag felülete nem csak megolvad, hanem el is párolog, az elpárolgott anyagok pedig az anyag felülete közelében összegyűlve gyengén ionizálódnak, plazmát alkotva. Ez a vékony plazma segít az anyagnak elnyelni a lézert; A párolgási és tágulási nyomás hatására a folyadék felülete deformálódik és gödrök keletkeznek. Ez a szakasz lézeres hegesztésre használható, általában mikrocsatlakozások 0,5 mm-en belüli hővezető hegesztésénél.
A teljesítménysűrűség további növelésével (>10 ^ 7w/cm ^ 2) és a besugárzási idő meghosszabbításával az anyag felülete erős párologtatáson megy keresztül, magas ionizációs fokú plazmát képezve. Ez a sűrű plazma árnyékoló hatással van a lézerre, nagymértékben csökkentve az anyagba beeső lézer energiasűrűségét. Ugyanakkor nagy gőzreakciós erő hatására az olvadt fém belsejében kis lyukak, közismert nevén kulcslyukak képződnek. A kulcslyukak megléte előnyös az anyag számára a lézer elnyelésére, és ez a szakasz lézeres mélyfúzióhoz használható. hegesztés, vágás és fúrás, ütési edzés stb.
Különböző körülmények között a különböző fémanyagokon végzett lézersugárzás különböző hullámhosszúsága az egyes szakaszokban meghatározott teljesítménysűrűséget eredményez.
A lézer anyagok általi abszorpciója szempontjából az anyagok párolgása jelenti a határt. Ha az anyag nem párolog, akár szilárd, akár folyékony fázisban, a lézer elnyelése csak lassan változik a felületi hőmérséklet emelkedésével; Amint az anyag elpárolog, és plazmát és kulcslyukakat képez, az anyag lézerelnyelése hirtelen megváltozik.
Ahogy a 2. ábrán látható, a lézer abszorpciós sebessége az anyag felületén a lézerhegesztés során a lézer teljesítménysűrűségétől és az anyag felületi hőmérsékletétől függően változik. Ha az anyag nem olvad meg, az anyag lézerrel történő elnyelési sebessége lassan növekszik az anyag felületi hőmérsékletének növekedésével. Ha a teljesítménysűrűség nagyobb, mint (10 ^ 6w/cm ^ 2), az anyag hevesen elpárolog, és kulcslyukat képez. A lézer többszörös visszaverődés és abszorpció céljából belép a kulcslyukon, ami jelentősen megnöveli az anyag lézerhez való abszorpciós sebességét és jelentősen megnöveli az olvasztási mélységet.
Lézer elnyelése fém anyagok által – Hullámhossz
A fenti ábra az általánosan használt fémek reflexiós képessége, abszorbanciája és hullámhossza közötti összefüggési görbét mutatja szobahőmérsékleten. Az infravörös tartományban a hullámhossz növekedésével az abszorpciós sebesség csökken, a visszaverőképesség pedig nő. A legtöbb fém erősen visszaveri a 10,6 um (CO2) hullámhosszú infravörös fényt, míg gyengén visszaveri az 1,06 um (1060 nm) hullámhosszú infravörös fényt. A fémanyagok nagyobb abszorpciós sebességgel rendelkeznek a rövid hullámhosszú lézereknél, mint például a kék és zöld fény.
Lézer elnyelése fémanyagok által – az anyag hőmérséklete és a lézerenergia sűrűsége
Az alumíniumötvözetet például szilárd anyag esetén a lézer abszorpciós aránya 5-7%, a folyadékelnyelés mértéke akár 25-35%, és kulcslyuk állapotban a 90% fölé is emelkedhet.
Az anyag lézerrel szembeni abszorpciós sebessége a hőmérséklet emelkedésével növekszik. A fémanyagok abszorpciós sebessége szobahőmérsékleten nagyon alacsony. Amikor a hőmérséklet az olvadáspont közelébe emelkedik, az abszorpciós sebessége elérheti a 40-60%-ot. Ha a hőmérséklet közel van a forrásponthoz, akkor abszorpciós sebessége elérheti a 90%-ot is.
Lézer elnyelése fém anyagokkal – Felületi állapot
A hagyományos abszorpciós sebesség mérése sima fémfelület segítségével történik, de a lézeres melegítés gyakorlati alkalmazásainál általában szükség van bizonyos nagy reflexiós anyagok (alumínium, réz) abszorpciós sebességének növelésére, hogy elkerüljük a nagy reflexió okozta hamis forrasztást;
A következő módszerek használhatók:
1. Megfelelő felület-előkezelési eljárások elfogadása a lézer fényvisszaverő képességének javítására: prototípus oxidáció, homokfúvás, lézeres tisztítás, nikkelezés, ónozás, grafitbevonat stb. mind javíthatja az anyag lézerelnyelési sebességét;
A mag az anyag felületének érdességének növelése (ami elősegíti a többszörös lézervisszaverődést és abszorpciót), valamint a bevonóanyag növelése nagy abszorpciós sebességgel. A lézerenergia elnyelésével és a nagy abszorpciós sebességű anyagokon keresztül történő megolvasztásával és elpárologtatásával a lézer hőt továbbítják az alapanyaghoz, hogy javítsák az anyag elnyelési sebességét és csökkentsék a nagy reflexiós jelenség által okozott virtuális hegesztést.
Feladás időpontja: 2023.11.23
