Laseri ja materjalide vastastikmõju hõlmab paljusid füüsikalisi nähtusi ja omadusi. Järgmised kolm artiklit tutvustavad kolme peamist laserkeevitusprotsessiga seotud füüsikalist nähtust, et anda kolleegidele selgem arusaam.laserkeevitusprotsessJaotatud laseri neeldumiskiiruseks ja oleku muutusteks, plasmaks ja võtmeaugu efektiks. Seekord uuendame seost laseri ja materjalide oleku muutuste ning neeldumiskiiruse vahel.
Laseri ja materjalide vastastikmõjust tingitud aine oleku muutused
Metallmaterjalide lasertöötlus põhineb peamiselt fototermiliste efektide termilisel töötlemisel. Kui materjali pinnale rakendatakse laserkiirgust, toimuvad materjali pinnas erinevate võimsustiheduste korral mitmesugused muutused. Nende muutuste hulka kuuluvad pinna temperatuuri tõus, sulamine, aurustumine, "võtmeaugu" moodustumine ja plasma teke. Lisaks mõjutavad materjali pinna füüsikalise oleku muutused oluliselt materjali laseri neeldumist. Võimsustiheduse ja toimeaja suurenemisega läbivad metallmaterjali järgmised oleku muutused:
KuilaservõimsusMadala tiheduse (<10^4w/cm^2) ja lühikese kiiritusaja tõttu saab metalli neeldunud laserenergia põhjustada ainult materjali temperatuuri tõusu pinnalt sissepoole, kuid tahke faas jääb muutumatuks. Seda kasutatakse peamiselt detailide lõõmutamiseks ja faasimuundumiste kõvendamiseks, kusjuures enamuse moodustavad tööriistad, hammasrattad ja laagrid;
Laseri võimsustiheduse suurenemisega (10^4–10^6w/cm^2) ja kiiritusaja pikenemisega sulab materjali pind järk-järgult. Sisendenergia suurenedes liigub vedeliku ja tahke aine piirpind järk-järgult materjali sügavamate osade poole. Seda füüsikalist protsessi kasutatakse peamiselt metallide pinna ümbersulatamiseks, legeerimiseks, plakeerimiseks ja soojusjuhtivusega keevitamiseks.
Võimsustiheduse edasise suurendamise (>10^6w/cm^2) ja laseri toimeaja pikendamise abil materjali pind mitte ainult ei sula, vaid ka aurustub ning aurustunud ained kogunevad materjali pinna lähedale ja ioniseeruvad nõrgalt, moodustades plasma. See õhuke plasma aitab materjalil laserit neelata; aurustumise ja paisumise rõhu all deformeerub vedeliku pind ja moodustab süvendeid. Seda etappi saab kasutada laserkeevituseks, tavaliselt mikroühenduste liitmisel soojusjuhtivusega keevitamisel kuni 0,5 mm ulatuses.
Võimsustiheduse edasise suurendamise (>10^7w/cm^2) ja kiiritusaja pikendamise abil aurustub materjali pind tugevalt, moodustades kõrge ionisatsiooniastmega plasma. See tihe plasma varjestab laserit, vähendades oluliselt materjali langeva laserkiire energiatihedust. Samal ajal tekivad suure aurureaktsioonijõu mõjul sulanud metalli sisse väikesed augud, mida tuntakse ka võtmeaukude nime all. Võtmeaukude olemasolu on kasulik materjali laserkiire neelamiseks ning seda etappi saab kasutada lasersügavkeevituseks, lõikamiseks ja puurimiseks, löökkarastamiseks jne.
Erinevates tingimustes põhjustavad erinevatel metallmaterjalidel laserkiirguse erinevad lainepikkused igas etapis spetsiifilised võimsustiheduse väärtused.
Laseri neeldumise osas materjalides on materjalide aurustumine piir. Kui materjal ei aurustu, olgu see siis tahkes või vedelas faasis, muutub laseri neeldumine pinnatemperatuuri tõustes aeglaselt; kui materjal aurustub ja moodustab plasma ja võtmeaugud, muutub materjali laseri neeldumine järsult.
Nagu joonisel 2 näidatud, varieerub laserkiire neeldumiskiirus materjali pinnal laserkeevituse ajal sõltuvalt laserkiire võimsustihedusest ja materjali pinnatemperatuurist. Kui materjal ei ole sulanud, suureneb materjali neeldumiskiirus laserkiire suhtes aeglaselt koos materjali pinnatemperatuuri tõusuga. Kui võimsustihedus on suurem kui (10^6w/cm^2), aurustub materjal jõuliselt, moodustades võtmeaugu. Laser siseneb võtmeauku mitmekordseks peegelduseks ja neeldumiseks, mille tulemuseks on materjali neeldumiskiiruse märkimisväärne suurenemine laserkiire suhtes ja sulamissügavuse märkimisväärne suurenemine.
Laseri neeldumine metallmaterjalides – lainepikkus
Ülaltoodud joonis näitab tavaliselt kasutatavate metallide peegelduvuse, neeldumise ja lainepikkuse vahelist seoskõverat toatemperatuuril. Infrapunapiirkonnas neeldumiskiirus väheneb ja peegelduvus suureneb lainepikkuse suurenedes. Enamik metalle peegeldab tugevalt 10,6 µm (CO2) lainepikkusega infrapunavalgust, samas kui nõrgalt peegeldavad 1,06 µm (1060 nm) lainepikkusega infrapunavalgust. Metallmaterjalidel on lühikese lainepikkusega laserite, näiteks sinise ja rohelise valguse, neeldumiskiirus kõrgem.
Laserkiire neeldumine metallmaterjalides – materjali temperatuur ja laseri energiatihedus
Näiteks alumiiniumisulamist tahke materjali puhul on laserkiire neeldumiskiirus umbes 5–7%, vedeliku neeldumiskiirus kuni 25–35% ja võtmeaugu olekus võib see ulatuda üle 90%.
Materjali neeldumiskiirus laserkiire suhtes suureneb temperatuuri tõustes. Metallide neeldumiskiirus toatemperatuuril on väga madal. Kui temperatuur tõuseb sulamistemperatuuri lähedale, võib neeldumiskiirus ulatuda 40–60%-ni. Kui temperatuur on keemistemperatuuri lähedal, võib neeldumiskiirus ulatuda kuni 90%-ni.
Laserkiire neeldumine metallmaterjalides – pinnaseisund
Tavapärast neeldumiskiirust mõõdetakse sileda metallpinna abil, kuid laserkuumutamise praktilistes rakendustes on tavaliselt vaja teatud suure peegeldusega materjalide (alumiinium, vask) neeldumiskiirust suurendada, et vältida suure peegelduse põhjustatud valejootmist;
Kasutada saab järgmisi meetodeid:
1. Laseri peegelduvuse parandamiseks sobivate pinna eeltöötlusprotsesside vastuvõtmine: prototüübi oksüdeerimine, liivapritsimine, laserpuhastus, nikeldamine, tinatamine, grafiidiga katmine jne võivad kõik parandada materjali laseri neeldumiskiirust;
Põhiülesanne on suurendada materjali pinna karedust (mis soodustab mitmekordset laserkiire peegeldust ja neeldumist) ning suurendada kattematerjali neeldumiskiirust. Laserenergia neeldumine ning selle sulatamine ja lendumine läbi kõrge neeldumiskiirusega materjalide kannab laserkiire soojust alusmaterjalile, parandades materjali neeldumiskiirust ja vähendades virtuaalset keevitust, mis on põhjustatud suure peegelduse nähtusest.
Postituse aeg: 23. november 2023
