A lézer és az anyagok közötti kölcsönhatás számos fizikai jelenséget és jellemzőt foglal magában. A következő három cikk bemutatja a lézerhegesztési eljáráshoz kapcsolódó három kulcsfontosságú fizikai jelenséget, hogy a kollégák világosabb képet kapjanak a folyamatról.lézeres hegesztési eljárás: lézer abszorpciós sebességre és halmazállapot-változásra, plazmára és kulcslyukeffektusra osztva. Ezúttal a lézer és az anyagok halmazállapot-változása, valamint az abszorpciós sebesség közötti összefüggést frissítjük.
A lézer és az anyagok kölcsönhatása által okozott halmazállapot-változások
A fémes anyagok lézeres megmunkálása főként a fototermikus hatások termikus feldolgozásán alapul. Amikor lézerbesugárzást alkalmaznak az anyag felületére, különböző teljesítménysűrűségek mellett különféle változások mennek végbe az anyag felületén. Ezek a változások magukban foglalják a felületi hőmérséklet emelkedését, olvadást, párolgást, „kulcslyuk” képződést és plazmaképződést. Ezenkívül az anyag felületének fizikai állapotának változásai nagymértékben befolyásolják az anyag lézersugárzásának elnyelését. A teljesítménysűrűség és a hatásidő növekedésével a fémes anyag a következő állapotváltozásokon megy keresztül:
Amikor alézerteljesítményA sűrűség alacsony (<10^4w/cm^2) és a besugárzási idő rövid, a fém által elnyelt lézerenergia csak az anyag hőmérsékletének a felülettől a befelé emelkedését okozhatja, de a szilárd fázis változatlan marad. Főként alkatrészek lágyítására és fázisátalakításos edzésére használják, szerszámok, fogaskerekek és csapágyak többségében;
A lézer teljesítménysűrűségének növekedésével (10^4-10^6w/cm^2) és a besugárzási idő meghosszabbításával az anyag felülete fokozatosan megolvad. A bemeneti energia növekedésével a folyadék-szilárd határfelület fokozatosan az anyag mélyebb része felé halad. Ezt a fizikai eljárást főként fémek felületi újraolvasztására, ötvözésére, plattírozására és hővezető hegesztésére használják.
A teljesítménysűrűség további növelésével (>10^6w/cm^2) és a lézer hatóidejének meghosszabbításával az anyag felülete nemcsak megolvad, hanem elpárolog is, és az elpárologtatott anyagok az anyag felülete közelében gyűlnek össze, gyengén ionizálódnak, plazmát képezve. Ez a vékony plazma segíti az anyag lézersugárzásának elnyelését; a párologtatás és a tágulás nyomása alatt a folyadék felülete deformálódik és gödröket képez. Ez a szakasz lézeres hegesztéshez használható, általában 0,5 mm-en belüli mikrocsatlakozások hővezető hegesztéséhez.
A teljesítménysűrűség további növelésével (>10^7w/cm^2) és a besugárzási idő meghosszabbításával az anyag felülete erős párologtatáson megy keresztül, nagy ionizációs fokú plazmát képezve. Ez a sűrű plazma árnyékoló hatással van a lézerre, jelentősen csökkentve az anyagba beeső lézer energiasűrűségét. Ugyanakkor a nagy gőzreakcióerő hatására apró lyukak, közismert nevén kulcslyukak, alakulnak ki az olvadt fém belsejében. A kulcslyukak megléte előnyös az anyag lézerének elnyeléséhez, és ez a szakasz lézeres mélyfúziós hegesztéshez, vágáshoz és fúráshoz, ütve edzéshez stb. használható.
Különböző körülmények között, a különböző fémes anyagokon alkalmazott különböző hullámhosszú lézerbesugárzás minden egyes szakaszban specifikus teljesítménysűrűség-értékeket eredményez.
A lézerfény anyagok általi elnyelése szempontjából az anyagok párologtatása határeset. Amikor az anyag nem párolog el, legyen az szilárd vagy folyékony fázis, a lézerfény elnyelése csak lassan változik a felületi hőmérséklet növekedésével; Amint az anyag elpárolog és plazmát és lyukakat képez, az anyag lézerfény elnyelése hirtelen megváltozik.
Amint a 2. ábrán látható, a lézerfény abszorpciós sebessége az anyag felületén lézerhegesztés során a lézer teljesítménysűrűségétől és az anyag felületi hőmérsékletétől függ. Amikor az anyag nincs megolvasztva, az anyag lézerhez viszonyított abszorpciós sebessége lassan növekszik az anyag felületi hőmérsékletének növekedésével. Amikor a teljesítménysűrűség nagyobb, mint (10^6w/cm^2), az anyag hevesen elpárolog, és egy kulcslyukat képez. A lézer belép a kulcslyukba, ahol többszörös visszaverődést és abszorpciót végez, ami az anyag lézerhez viszonyított abszorpciós sebességének és az olvadási mélység jelentős növekedését eredményezi.
Lézer elnyelése fémes anyagokban – hullámhossz
A fenti ábra a gyakran használt fémek fényvisszaverő képessége, abszorbanciája és hullámhossza közötti összefüggést mutatja szobahőmérsékleten. Az infravörös tartományban az abszorpciós sebesség csökken, a fényvisszaverő képesség pedig növekszik a hullámhossz növekedésével. A legtöbb fém erősen visszaveri a 10,6 µm (CO2) hullámhosszú infravörös fényt, míg gyengén az 1,06 µm (1060 nm) hullámhosszú infravörös fényt. A fémes anyagok nagyobb abszorpciós sebességgel rendelkeznek a rövid hullámhosszú lézerek, például a kék és zöld fény esetében.
Lézer elnyelése fémes anyagokban – anyaghőmérséklet és lézerenergia-sűrűség
Példaként említve az alumíniumötvözetet, amikor az anyag szilárd, a lézerfény abszorpciós sebessége 5-7% körül van, a folyadék abszorpciós sebessége akár 25-35% is lehet, és kulcslyuk állapotban elérheti a 90%-ot is.
Az anyag lézerfényhez viszonyított abszorpciós sebessége a hőmérséklet növekedésével növekszik. A fémes anyagok abszorpciós sebessége szobahőmérsékleten nagyon alacsony. Amikor a hőmérséklet az olvadáspont közelébe emelkedik, az abszorpciós sebesség elérheti a 40–60%-ot. Ha a hőmérséklet közel van a forrásponthoz, az abszorpciós sebesség akár a 90%-ot is elérheti.
Lézersugárzás elnyelése fémes anyagokban – felületi állapot
A hagyományos abszorpciós sebességet sima fémfelületen mérik, de a lézeres fűtés gyakorlati alkalmazásaiban általában szükség van bizonyos nagy visszaverődésű anyagok (alumínium, réz) abszorpciós sebességének növelésére, hogy elkerüljük a nagy visszaverődés okozta téves forrasztást;
A következő módszerek használhatók:
1. Megfelelő felületkezelési eljárások alkalmazása a lézer fényvisszaverő képességének javítása érdekében: prototípus oxidáció, homokfúvás, lézertisztítás, nikkelezés, ónozás, grafitbevonat stb. mind javíthatják az anyag lézerabszorpciós sebességét;
A mag célja az anyagfelület érdességének növelése (ami elősegíti a többszörös lézervisszaverődést és -elnyelést), valamint a bevonatanyag nagy abszorpciós sebességének növelése. A lézerenergia elnyelésével, majd megolvasztásával és elpárologtatásával a nagy abszorpciós sebességű anyagokon keresztül a lézer hője átjut az alapanyagra, javítva az anyag abszorpciós sebességét és csökkentve a nagy visszaverődés okozta virtuális hegesztést.
Közzététel ideje: 2023. november 23.
