Laseri ja materjalide vastastikmõju hõlmab paljusid füüsikalisi nähtusi ja omadusi. Järgmised kolm artiklit tutvustavad kolme peamist laserkeevitusprotsessiga seotud füüsikalist nähtust, et anda kolleegidele selgem arusaamlaserkeevitusprotsess: jagatud laseri neeldumiskiiruseks ja oleku muutusteks, plasma ja võtmeaugu efektiks. Seekord värskendame seost laseri ja materjalide oleku muutuste ning neeldumiskiiruse vahel.
Laseri ja materjalide vastastikusest mõjust põhjustatud aine oleku muutused
Metallmaterjalide lasertöötlus põhineb peamiselt fototermiliste efektide termilisel töötlemisel. Materjali pinnale laserkiirguse rakendamisel toimuvad materjali pindalas erinevad muutused erineva võimsustiheduse juures. Need muutused hõlmavad pinnatemperatuuri tõusu, sulamist, aurustumist, võtmeaukude teket ja plasma teket. Lisaks mõjutavad materjali pinna ala füüsikalise oleku muutused oluliselt materjali laseri neeldumist. Võimsuse tiheduse ja toimeaja suurenemisega muutuvad metallmaterjali olekus järgmised muutused:
Kuilaseri võimsustihedus on madal (<10 ^ 4w/cm ^ 2) ja kiiritusaeg on lühike, metalli neeldunud laserenergia võib põhjustada ainult materjali temperatuuri tõusu pinnalt sisemusse, kuid tahke faas jääb muutumatuks . Seda kasutatakse peamiselt osade lõõmutamiseks ja faasimuundumise kõvendamiseks, kusjuures enamus on tööriistad, hammasrattad ja laagrid;
Laseri võimsustiheduse suurenemisega (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) ja kiiritusaja pikenemisega materjali pind järk-järgult sulab. Kui sisendenergia suureneb, liigub vedeliku-tahke liides järk-järgult materjali sügavama osa poole. Seda füüsikalist protsessi kasutatakse peamiselt metallide pindade ümbersulatamiseks, legeerimiseks, katmiseks ja soojusjuhtivusega keevitamiseks.
Suurendades veelgi võimsustihedust (>10 ^ 6w/cm ^ 2) ja pikendades laseri toimeaega, materjali pind mitte ainult ei sula, vaid ka aurustub ning aurustunud ained kogunevad materjali pinna lähedusse ja nõrgalt ioniseeruvad, moodustades plasma. See õhuke plasma aitab materjalil laserit absorbeerida; Aurustumise ja paisumise survel vedeliku pind deformeerub ja moodustab süvendeid. Seda etappi saab kasutada laserkeevitamiseks, tavaliselt 0,5 mm piires olevate mikroühenduste soojusjuhtivusega keevitamisel.
Suurendades veelgi võimsustihedust (>10 ^ 7w/cm ^ 2) ja pikendades kiiritusaega, aurustub materjali pind tugevalt, moodustades kõrge ionisatsiooniastmega plasma. Sellel tihedal plasmal on laserit varjestav toime, mis vähendab oluliselt materjali langeva laseri energiatihedust. Samal ajal moodustuvad sulametalli sisse suure aurureaktsioonijõu mõjul väikesed augud, mida tavaliselt tuntakse võtmeaukudena. Võtmeaukude olemasolu on materjalile kasulik laseri neelamiseks ja seda etappi saab kasutada laseri süvasulatamiseks. keevitamine, lõikamine ja puurimine, löökkarastamine jne.
Erinevates tingimustes annavad erinevatel metallmaterjalidel laserkiirguse erinevad lainepikkused igas etapis konkreetsed võimsustiheduse väärtused.
Seoses laseri neeldumisega materjalidega on materjalide aurustumine piir. Kui materjal ei aurustu, kas tahkes või vedelas faasis, muutub selle laseri neeldumine pinnatemperatuuri tõustes aeglaselt; Kui materjal aurustub ja moodustab plasma ja võtmeaugud, muutub materjali laseri neeldumine ootamatult.
Nagu on näidatud joonisel 2, varieerub laseri neeldumiskiirus materjali pinnal laserkeevitamise ajal sõltuvalt laseri võimsustihedusest ja materjali pinna temperatuurist. Kui materjal ei ole sulanud, suureneb materjali pinnatemperatuuri tõustes aeglaselt materjali neeldumiskiirus laseriga. Kui võimsustihedus on suurem kui (10 ^ 6w/cm ^ 2), aurustub materjal ägedalt, moodustades võtmeaugu. Laser siseneb võtmeauku mitmekordseks peegelduseks ja neeldumiseks, mille tulemusena suureneb oluliselt materjali neeldumiskiirus laseriga ja sulamissügavus.
Laseri neeldumine metallmaterjalide poolt – lainepikkus
Ülaltoodud joonis näitab toatemperatuuril tavaliselt kasutatavate metallide peegelduvuse, neeldumise ja lainepikkuse seose kõverat. Infrapuna piirkonnas neeldumiskiirus väheneb ja peegelduvus suureneb koos lainepikkuse suurenemisega. Enamik metalle peegeldab tugevalt 10,6 um (CO2) lainepikkust infrapunavalgust, samas kui nõrgalt peegeldab 1,06 um (1060 nm) lainepikkust infrapunavalgust. Metallmaterjalidel on lühikese lainepikkusega laserite, näiteks sinise ja rohelise valguse puhul suurem neeldumiskiirus.
Laseri neeldumine metallmaterjalide poolt – materjali temperatuur ja laserenergia tihedus
Võttes näiteks alumiiniumisulami, kui materjal on tahke, on laseri neeldumismäär umbes 5–7%, vedeliku neeldumismäär on kuni 25–35% ja võtmeaugu olekus võib see ulatuda üle 90%.
Materjali neeldumiskiirus laseriga suureneb temperatuuri tõustes. Metallmaterjalide neeldumiskiirus toatemperatuuril on väga madal. Kui temperatuur tõuseb sulamistemperatuuri lähedale, võib selle neeldumiskiirus ulatuda 40–60%. Kui temperatuur on keemispunkti lähedal, võib selle neeldumiskiirus ulatuda kuni 90%.
Laseri neeldumine metallmaterjalide poolt – pinna seisukord
Tavalist neeldumiskiirust mõõdetakse sileda metallpinna abil, kuid lasersoojenduse praktilistes rakendustes on tavaliselt vaja teatud suure peegeldusega materjalide (alumiinium, vask) neeldumiskiirust suurendada, et vältida suurest peegeldusest põhjustatud valejootmist;
Kasutada saab järgmisi meetodeid:
1. Asjakohaste pinna eeltöötlusprotsesside vastuvõtmine laseri peegelduvuse parandamiseks: prototüübi oksüdeerimine, liivapritsiga töötlemine, laserpuhastus, nikeldamine, tinatamine, grafiidiga katmine jne võivad kõik parandada materjali laseri neeldumiskiirust;
Südamiku eesmärk on suurendada materjali pinna karedust (mis soodustab mitut laserpeegeldust ja neeldumist), samuti suurendada kattematerjali suure neeldumiskiirusega. Laserenergiat neelates ning suure neeldumiskiirusega materjalide kaudu sulades ja lendudes edastatakse lasersoojus alusmaterjalile, et parandada materjali neeldumiskiirust ja vähendada suure peegeldusnähtuse põhjustatud virtuaalset keevitust.
Postitusaeg: 23.11.2023
