Interacțiunea dintre laser și materiale implică multe fenomene și caracteristici fizice. Următoarele trei articole vor introduce cele trei fenomene fizice cheie legate de procesul de sudare cu laser pentru a oferi colegilor o înțelegere mai clară aprocesul de sudare cu laser: împărțit în rata de absorbție a laserului și modificări de stare, plasmă și efect de gaură a cheii. De data aceasta, vom actualiza relația dintre modificările stării laserului și materialelor și rata de absorbție.
Modificări de stare a materiei cauzate de interacțiunea dintre laser și materiale
Prelucrarea cu laser a materialelor metalice se bazează în principal pe prelucrarea termică a efectelor fototermice. Când iradierea cu laser este aplicată pe suprafața materialului, se vor produce diferite modificări în suprafața materialului la diferite densități de putere. Aceste modificări includ creșterea temperaturii suprafeței, topirea, vaporizarea, formarea găurii de cheie și generarea de plasmă. Mai mult, modificările stării fizice a suprafeței materialului afectează foarte mult absorbția laserului de către material. Odată cu creșterea densității puterii și a timpului de acțiune, materialul metalic va suferi următoarele modificări de stare:
Cândputere laserdensitatea este scăzută (<10 ^ 4w/cm ^ 2) și timpul de iradiere este scurt, energia laser absorbită de metal poate determina doar creșterea temperaturii materialului de la suprafață spre interior, dar faza solidă rămâne neschimbată . Este utilizat în principal pentru tratarea de recoacere a pieselor și de întărire prin transformare de fază, instrumentele, angrenajele și rulmenții fiind majoritatea;
Odată cu creșterea densității puterii laserului (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) și prelungirea timpului de iradiere, suprafața materialului se topește treptat. Pe măsură ce energia de intrare crește, interfața lichid-solid se deplasează treptat către partea adâncă a materialului. Acest proces fizic este utilizat în principal pentru topirea suprafeței, alierea, placarea și sudarea prin conductivitate termică a metalelor.
Prin creșterea în continuare a densității de putere (>10 ^ 6w/cm ^ 2) și prelungirea timpului de acțiune a laserului, suprafața materialului nu numai că se topește, ci și se vaporizează, iar substanțele vaporizate se adună lângă suprafața materialului și se ionizează slab pentru a forma o plasmă. Această plasmă subțire ajută materialul să absoarbă laserul; Sub presiunea vaporizării și expansiunii, suprafața lichidului se deformează și formează gropi. Această etapă poate fi utilizată pentru sudarea cu laser, de obicei în sudarea prin conductivitate termică prin îmbinare a microconexiunilor cu o lungime de 0,5 mm.
Prin creșterea în continuare a densității de putere (>10 ^ 7w/cm ^ 2) și prelungirea timpului de iradiere, suprafața materialului suferă o vaporizare puternică, formând o plasmă cu grad de ionizare ridicat. Această plasmă densă are un efect de ecranare asupra laserului, reducând foarte mult densitatea de energie a laserului incident în material. În același timp, sub o forță mare de reacție a vaporilor, în interiorul metalului topit se formează găuri mici, cunoscute în mod obișnuit sub numele de găuri de cheie, existența găurilor de cheie este benefică pentru ca materialul să absoarbă laserul, iar această etapă poate fi folosită pentru fuziunea profundă cu laser. sudare, tăiere și găurire, călire prin impact etc.
În diferite condiții, diferite lungimi de undă de iradiere laser pe diferite materiale metalice vor avea ca rezultat valori specifice ale densității de putere în fiecare etapă.
În ceea ce privește absorbția laserului de către materiale, vaporizarea materialelor este o limită. Atunci când materialul nu suferă vaporizare, fie în fază solidă sau lichidă, absorbția lui de laser se modifică doar lent odată cu creșterea temperaturii suprafeței; Odată ce materialul se vaporizează și formează plasmă și găuri de cheie, absorbția laserului de către material se va schimba brusc.
După cum se arată în Figura 2, rata de absorbție a laserului pe suprafața materialului în timpul sudării cu laser variază în funcție de densitatea puterii laser și de temperatura suprafeței materialului. Când materialul nu este topit, viteza de absorbție a materialului la laser crește încet odată cu creșterea temperaturii suprafeței materialului. Când densitatea de putere este mai mare decât (10 ^ 6w/cm ^ 2), materialul se vaporizează violent, formând o gaură a cheii. Laserul intră în gaura cheii pentru reflexii și absorbție multiple, rezultând o creștere semnificativă a ratei de absorbție a materialului la laser și o creștere semnificativă a adâncimii de topire.
Absorbția laserului de către materiale metalice – lungime de undă
Figura de mai sus arată curba relației dintre reflectivitate, absorbanță și lungimea de undă a metalelor utilizate în mod obișnuit la temperatura camerei. În regiunea infraroșu, rata de absorbție scade și reflectivitatea crește odată cu creșterea lungimii de undă. Majoritatea metalelor reflectă puternic lumina infraroșu cu lungime de undă de 10,6 um (CO2), în timp ce reflectă slab lumina infraroșu cu lungime de undă de 1,06 um (1060 nm). Materialele metalice au rate de absorbție mai mari pentru laserele cu lungime de undă scurtă, cum ar fi lumina albastră și verde.
Absorbția laserului de către materiale metalice – Temperatura materialului și densitatea energiei laserului
Luând ca exemplu aliajul de aluminiu, atunci când materialul este solid, rata de absorbție a laserului este de aproximativ 5-7%, rata de absorbție a lichidului este de până la 25-35% și poate ajunge la peste 90% în starea cheii.
Rata de absorbție a materialului la laser crește odată cu creșterea temperaturii. Rata de absorbție a materialelor metalice la temperatura camerei este foarte scăzută. Când temperatura crește aproape de punctul de topire, rata sa de absorbție poate ajunge la 40% ~ 60%. Dacă temperatura este aproape de punctul de fierbere, rata sa de absorbție poate ajunge până la 90%.
Absorbția laserului de către materiale metalice – starea suprafeței
Rata de absorbție convențională este măsurată folosind o suprafață metalică netedă, dar în aplicațiile practice de încălzire cu laser, este de obicei necesară creșterea ratei de absorbție a anumitor materiale cu reflexie ridicată (aluminiu, cupru) pentru a evita lipirea falsă cauzată de reflexia ridicată;
Se pot folosi următoarele metode:
1. Adoptarea unor procese adecvate de pretratare a suprafeței pentru a îmbunătăți reflectivitatea laserului: oxidarea prototipului, sablare, curățare cu laser, placare cu nichel, placare cu cositor, acoperire cu grafit etc. pot îmbunătăți rata de absorbție a laserului a materialului;
Miezul este de a crește rugozitatea suprafeței materialului (care este favorabilă reflexiilor și absorbției laser multiple), precum și de a crește materialul de acoperire cu o rată mare de absorbție. Prin absorbția energiei laserului și topirea acesteia și volatilizarea acesteia prin materiale cu rată mare de absorbție, căldura laser este transmisă materialului de bază pentru a îmbunătăți rata de absorbție a materialului și pentru a reduce sudarea virtuală cauzată de fenomenul de reflexie ridicată.
Ora postării: 23-nov-2023
