Interacțiunea dintre laser și materiale implică numeroase 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 a acestora.procesul de sudare cu laser: împărțit în rată de absorbție laser și schimbări de stare, plasmă și efect de gaură de cheie. De data aceasta, vom actualiza relația dintre schimbările de stare ale laserului și materiale, precum și rata de absorbție.
Schimbări de stare a materiei cauzate de interacțiunea dintre laser și materiale
Prelucrarea cu laser a materialelor metalice se bazează în principal pe procesarea termică a efectelor fototermice. Atunci când se aplică iradiere laser pe suprafața materialului, vor apărea diverse modificări ale suprafeței materialului la diferite densități de putere. Aceste modificări includ creșterea temperaturii suprafeței, topirea, vaporizarea, formarea de contururi și generarea de plasmă. Mai mult, modificările stării fizice a suprafeței materialului afectează în mare măsură absorbția laserului de către material. Odată cu creșterea densității de putere 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 provoca doar creșterea temperaturii materialului de la suprafață spre interior, dar faza solidă rămâne neschimbată. Se utilizează în principal pentru recoacerea pieselor și tratamentul de călire prin transformare de fază, sculele, angrenajele și rulmenții fiind majoritari;
Odată cu creșterea densității de putere a 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 spre partea profundă a materialului. Acest proces fizic este utilizat în principal pentru retopirea superficială, alierea, placarea și sudarea cu conductivitate termică a metalelor.
Prin creșterea suplimentară a densității de putere (>10^6w/cm^2) și prelungirea timpului de acțiune al laserului, suprafața materialului nu numai că se topește, ci și se vaporizează, iar substanțele vaporizate se adună în apropierea suprafeței 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 îmbinare cu conductivitate termică a microconexiunilor cu o grosime de până la 0,5 mm.
Prin creșterea suplimentară a densității de putere (>10^7w/cm^2) și prelungirea timpului de iradiere, suprafața materialului suferă o vaporizare puternică, formând o plasmă cu un grad ridicat de ionizare. Această plasmă densă are un efect de ecranare asupra laserului, reducând considerabil densitatea energiei laserului incident în material. În același timp, sub o forță mare de reacție la vapori, 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 utilizată pentru sudarea prin fuziune profundă cu laser, tăiere și găurire, călire prin impact etc.
În condiții diferite, diferite lungimi de undă ale iradierii laser pe diferite materiale metalice vor duce la valori specifice ale densității de putere în fiecare etapă.
În ceea ce privește absorbția laserului de către materiale, vaporizarea materialelor reprezintă o limită. Atunci când materialul nu suferă vaporizare, fie în fază solidă, fie în fază lichidă, absorbția laserului se modifică lent doar odată cu creșterea temperaturii suprafeței; odată ce materialul se vaporizează și formează plasmă și contururi, 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 laserului și de temperatura suprafeței materialului. Când materialul nu este topit, rata de absorbție a materialului către laser crește lent odată cu creșterea temperaturii suprafeței materialului. Când densitatea puterii este mai mare de (10^6w/cm^2), materialul se vaporizează violent, formând o gaură de cheie. Laserul intră în gaura cheii pentru reflexii și absorbții multiple, rezultând o creștere semnificativă a ratei de absorbție a materialului către laser și o creștere semnificativă a adâncimii de topire.
Absorbția laserului de către materialele metalice – Lungimea de undă
Figura de mai sus prezintă curba relației dintre reflectivitatea, absorbanța și lungimea de undă a metalelor utilizate în mod obișnuit la temperatura camerei. În regiunea infraroșie, rata de absorbție scade, iar reflectivitatea crește odată cu creșterea lungimii de undă. Majoritatea metalelor reflectă puternic lumina infraroșie cu lungimea de undă de 10,6 µm (CO2), în timp ce reflectă slab lumina infraroșie cu lungimea de undă de 1,06 µm (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 materialele 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 de gaură de cheie.
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 de absorbție poate ajunge la 40%~60%. Dacă temperatura este aproape de punctul de fierbere, rata de absorbție poate ajunge până la 90%.
Absorbția laserului de către materialele metalice – Starea suprafeței
Rata de absorbție convențională se măsoară 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 utiliza următoarele metode:
1. Adoptarea unor procese adecvate de pretratare a suprafeței pentru a îmbunătăți reflectivitatea laserului: oxidarea prototipului, sablare, curățarea cu laser, nichelarea, cositorirea, acoperirea cu grafit etc. pot îmbunătăți rata de absorbție a laserului de către material;
Esența este de a crește rugozitatea suprafeței materialului (ceea ce favorizează reflexiile și absorbția laser multiple), precum și de a crește rata de absorbție ridicată a materialului de acoperire. Prin absorbția energiei laser, topirea 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 a reduce sudarea virtuală cauzată de fenomenul de reflexie ridicată.
Data publicării: 23 noiembrie 2023
