Η αλληλεπίδραση μεταξύ λέιζερ και υλικών περιλαμβάνει πολλά φυσικά φαινόμενα και χαρακτηριστικά. Τα επόμενα τρία άρθρα θα εισαγάγουν τα τρία βασικά φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ, προκειμένου να παρέχουν στους συναδέλφους μια σαφέστερη κατανόηση τουδιαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ: χωρίζεται σε ρυθμό απορρόφησης λέιζερ και αλλαγές στην κατάσταση, στο πλάσμα και στο φαινόμενο της κλειδαρότρυπας. Αυτή τη φορά, θα ενημερώσουμε τη σχέση μεταξύ των αλλαγών στην κατάσταση του λέιζερ και των υλικών και του ρυθμού απορρόφησης.
Αλλαγές στην κατάσταση της ύλης που προκαλούνται από την αλληλεπίδραση μεταξύ λέιζερ και υλικών
Η επεξεργασία με λέιζερ μεταλλικών υλικών βασίζεται κυρίως στη θερμική επεξεργασία φωτοθερμικών επιδράσεων. Όταν εφαρμόζεται ακτινοβολία λέιζερ στην επιφάνεια του υλικού, θα συμβούν διάφορες αλλαγές στην επιφάνεια του υλικού σε διαφορετικές πυκνότητες ισχύος. Αυτές οι αλλαγές περιλαμβάνουν αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, τήξη, εξάτμιση, σχηματισμό κλειδαρότρυπας και παραγωγή πλάσματος. Επιπλέον, οι αλλαγές στη φυσική κατάσταση της επιφάνειας του υλικού επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απορρόφηση λέιζερ από το υλικό. Με την αύξηση της πυκνότητας ισχύος και του χρόνου δράσης, το μεταλλικό υλικό θα υποστεί τις ακόλουθες αλλαγές στην κατάσταση:
Όταν τοισχύς λέιζερη πυκνότητα είναι χαμηλή (<10 ^ 4w/cm ^ 2) και ο χρόνος ακτινοβολίας είναι σύντομος, η ενέργεια λέιζερ που απορροφάται από το μέταλλο μπορεί να προκαλέσει μόνο την αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού από την επιφάνεια προς το εσωτερικό, αλλά η στερεά φάση παραμένει αμετάβλητη . Χρησιμοποιείται κυρίως για επεξεργασία μερικής ανόπτησης και σκλήρυνσης μετασχηματισμού φάσης, με τα εργαλεία, τα γρανάζια και τα ρουλεμάν να είναι τα περισσότερα.
Με την αύξηση της πυκνότητας ισχύος λέιζερ (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) και την παράταση του χρόνου ακτινοβολίας, η επιφάνεια του υλικού λιώνει σταδιακά. Καθώς η ενέργεια εισόδου αυξάνεται, η διεπαφή υγρού-στερεού κινείται σταδιακά προς το βαθύ τμήμα του υλικού. Αυτή η φυσική διαδικασία χρησιμοποιείται κυρίως για την επανατήξη επιφανειών, την κράμα, την επένδυση και τη συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα μετάλλων.
Με την περαιτέρω αύξηση της πυκνότητας ισχύος (>10 ^ 6w/cm ^ 2) και την παράταση του χρόνου δράσης του λέιζερ, η επιφάνεια του υλικού όχι μόνο λιώνει αλλά και εξατμίζεται και οι εξατμισμένες ουσίες συγκεντρώνονται κοντά στην επιφάνεια του υλικού και ιονίζονται ασθενώς για να σχηματίσουν ένα πλάσμα. Αυτό το λεπτό πλάσμα βοηθά το υλικό να απορροφήσει το λέιζερ. Υπό την πίεση της εξάτμισης και της διαστολής, η επιφάνεια του υγρού παραμορφώνεται και σχηματίζει κοιλώματα. Αυτό το στάδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκόλληση με λέιζερ, συνήθως στη συγκόλληση θερμικής αγωγιμότητας ματίσματος μικροσυνδέσεων εντός 0,5 mm.
Με την περαιτέρω αύξηση της πυκνότητας ισχύος (>10 ^ 7w/cm ^ 2) και την παράταση του χρόνου ακτινοβόλησης, η επιφάνεια του υλικού υφίσταται ισχυρή εξάτμιση, σχηματίζοντας ένα πλάσμα με υψηλό βαθμό ιονισμού. Αυτό το πυκνό πλάσμα έχει μια προστατευτική επίδραση στο λέιζερ, μειώνοντας σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα του λέιζερ που προσπίπτει στο υλικό. Ταυτόχρονα, κάτω από μια μεγάλη δύναμη αντίδρασης ατμού, σχηματίζονται μικρές οπές, κοινώς γνωστές ως κλειδαρότρυπες, μέσα στο λιωμένο μέταλλο. Η ύπαρξη κλειδαρότρυπων είναι ευεργετική για το υλικό να απορροφά λέιζερ και αυτό το στάδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βαθιά σύντηξη λέιζερ συγκόλληση, κοπή και διάτρηση, κρουστική σκλήρυνση κ.λπ.
Κάτω από διαφορετικές συνθήκες, διαφορετικά μήκη κύματος ακτινοβολίας λέιζερ σε διαφορετικά μεταλλικά υλικά θα έχουν ως αποτέλεσμα συγκεκριμένες τιμές πυκνότητας ισχύος σε κάθε στάδιο.
Όσον αφορά την απορρόφηση του λέιζερ από τα υλικά, η εξάτμιση των υλικών είναι ένα όριο. Όταν το υλικό δεν υφίσταται εξάτμιση, είτε σε στερεά είτε σε υγρή φάση, η απορρόφηση του λέιζερ αλλάζει αργά με την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας. Μόλις το υλικό εξατμιστεί και σχηματίσει πλάσμα και κλειδαρότρυπα, η απορρόφηση του λέιζερ από το υλικό θα αλλάξει ξαφνικά.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, ο ρυθμός απορρόφησης του λέιζερ στην επιφάνεια του υλικού κατά τη συγκόλληση με λέιζερ ποικίλλει ανάλογα με την πυκνότητα ισχύος λέιζερ και τη θερμοκρασία της επιφάνειας του υλικού. Όταν το υλικό δεν λιώνει, ο ρυθμός απορρόφησης του υλικού στο λέιζερ αυξάνεται αργά με την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του υλικού. Όταν η πυκνότητα ισχύος είναι μεγαλύτερη από (10 ^ 6w/cm ^ 2), το υλικό εξατμίζεται βίαια, σχηματίζοντας μια κλειδαρότρυπα. Το λέιζερ εισέρχεται στην κλειδαρότρυπα για πολλαπλές αντανακλάσεις και απορρόφηση, με αποτέλεσμα σημαντική αύξηση του ρυθμού απορρόφησης του υλικού προς το λέιζερ και σημαντική αύξηση του βάθους τήξης.
Απορρόφηση Laser από Μεταλλικά Υλικά – Μήκος κύματος
Το παραπάνω σχήμα δείχνει την καμπύλη σχέσης μεταξύ της ανακλαστικότητας, της απορρόφησης και του μήκους κύματος των συνήθως χρησιμοποιούμενων μετάλλων σε θερμοκρασία δωματίου. Στην υπέρυθρη περιοχή, ο ρυθμός απορρόφησης μειώνεται και η ανακλαστικότητα αυξάνεται με την αύξηση του μήκους κύματος. Τα περισσότερα μέταλλα αντανακλούν έντονα υπέρυθρο φως μήκους κύματος 10,6um (CO2) ενώ αντανακλούν ασθενώς υπέρυθρο φως μήκους κύματος 1,06um (1060nm). Τα μεταλλικά υλικά έχουν υψηλότερους ρυθμούς απορρόφησης για λέιζερ μικρού μήκους κύματος, όπως το μπλε και το πράσινο φως.
Απορρόφηση λέιζερ από μεταλλικά υλικά – Θερμοκρασία υλικού και πυκνότητα ενέργειας λέιζερ
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το κράμα αλουμινίου, όταν το υλικό είναι στερεό, ο ρυθμός απορρόφησης λέιζερ είναι περίπου 5-7%, ο ρυθμός απορρόφησης υγρού είναι μέχρι 25-35% και μπορεί να φτάσει πάνω από 90% στην κατάσταση κλειδαρότρυπας.
Ο ρυθμός απορρόφησης του υλικού στο λέιζερ αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο ρυθμός απορρόφησης μεταλλικών υλικών σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ χαμηλός. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει κοντά στο σημείο τήξης, ο ρυθμός απορρόφησής του μπορεί να φτάσει το 40%~60%. Εάν η θερμοκρασία είναι κοντά στο σημείο βρασμού, ο ρυθμός απορρόφησής του μπορεί να φτάσει έως και το 90%.
Απορρόφηση Laser από Μεταλλικά Υλικά – Κατάσταση Επιφάνειας
Ο συμβατικός ρυθμός απορρόφησης μετράται χρησιμοποιώντας μια λεία μεταλλική επιφάνεια, αλλά σε πρακτικές εφαρμογές θέρμανσης με λέιζερ, είναι συνήθως απαραίτητο να αυξηθεί ο ρυθμός απορρόφησης ορισμένων υλικών υψηλής ανάκλασης (αλουμίνιο, χαλκός) για να αποφευχθεί η ψευδής συγκόλληση που προκαλείται από υψηλή ανάκλαση.
Μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ακόλουθες μέθοδοι:
1. Η υιοθέτηση κατάλληλων διαδικασιών προεπεξεργασίας επιφάνειας για τη βελτίωση της ανακλαστικότητας του λέιζερ: πρωτότυπη οξείδωση, αμμοβολή, καθαρισμός με λέιζερ, επινικελίωση, επίστρωση κασσίτερου, επίστρωση γραφίτη κ.λπ. μπορούν όλα να βελτιώσουν τον ρυθμό απορρόφησης λέιζερ του υλικού.
Ο πυρήνας είναι να αυξήσει την τραχύτητα της επιφάνειας του υλικού (η οποία ευνοεί τις πολλαπλές αντανακλάσεις και την απορρόφηση λέιζερ), καθώς και να αυξήσει το υλικό επίστρωσης με υψηλό ρυθμό απορρόφησης. Με την απορρόφηση της ενέργειας λέιζερ και την τήξη και εξαέρωσή της μέσω υλικών υψηλού ρυθμού απορρόφησης, η θερμότητα λέιζερ μεταδίδεται στο βασικό υλικό για τη βελτίωση του ρυθμού απορρόφησης υλικού και τη μείωση της εικονικής συγκόλλησης που προκαλείται από το φαινόμενο υψηλής ανάκλασης.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-23-2023
