Η αλληλεπίδραση μεταξύ λέιζερ και υλικών περιλαμβάνει πολλά φυσικά φαινόμενα και χαρακτηριστικά. Τα επόμενα τρία άρθρα θα παρουσιάσουν τα τρία βασικά φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ, προκειμένου να παρέχουν στους συναδέλφους μια σαφέστερη κατανόηση της...διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ: διαιρείται σε ρυθμό απορρόφησης λέιζερ και αλλαγές στην κατάσταση, πλάσμα και φαινόμενο 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 φαινομένων. Όταν εφαρμόζεται ακτινοβολία λέιζερ στην επιφάνεια του υλικού, θα συμβούν διάφορες αλλαγές στην επιφάνεια του υλικού σε διαφορετικές πυκνότητες ισχύος. Αυτές οι αλλαγές περιλαμβάνουν την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, την τήξη, την εξάτμιση, τον σχηματισμό κλειδαρότρυπας και την παραγωγή πλάσματος. Επιπλέον, οι αλλαγές στη φυσική κατάσταση της επιφάνειας του υλικού επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απορρόφηση του λέιζερ από το υλικό. Με την αύξηση της πυκνότητας ισχύος και του χρόνου δράσης, το μεταλλικό υλικό θα υποστεί τις ακόλουθες αλλαγές στην κατάστασή του:
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 μόνο να προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού από την επιφάνεια προς το εσωτερικό, αλλά η στερεά φάση παραμένει αμετάβλητη. Χρησιμοποιείται κυρίως για ανόπτηση μερών και σκλήρυνση με μετασχηματισμό φάσης, με τα εργαλεία, τα γρανάζια και τα ρουλεμάν να αποτελούν την πλειοψηφία.
Με την αύξηση της πυκνότητας ισχύος του λέιζερ (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) και την παράταση του χρόνου ακτινοβόλησης, η επιφάνεια του υλικού σταδιακά λιώνει. Καθώς η ενέργεια εισόδου αυξάνεται, η διεπαφή υγρού-στερεού μετακινείται σταδιακά προς το βαθύ μέρος του υλικού. Αυτή η φυσική διαδικασία χρησιμοποιείται κυρίως για την επιφανειακή ανάτηξη, την κραματοποίηση, την επένδυση και τη συγκόλληση θερμικής αγωγιμότητας 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 εξατμιζόμενες ουσίες συγκεντρώνονται κοντά στην επιφάνεια του υλικού και ιονίζονται ασθενώς για να σχηματίσουν 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 κοιλότητες. Αυτό το στάδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκόλληση με λέιζερ, συνήθως στη συγκόλληση θερμικής αγωγιμότητας 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 θωράκιση στο λέιζερ, μειώνοντας σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα του λέιζερ που προσπίπτει στο υλικό. Ταυτόχρονα, υπό μια μεγάλη δύναμη αντίδρασης ατμών, σχηματίζονται μικρές οπές, κοινώς γνωστές ως κλειδαρότρυπες, μέσα στο λιωμένο μέταλλο. Η ύπαρξη κλειδαρότρυπων είναι ευεργετική για την απορρόφηση του λέιζερ από το υλικό και αυτό το στάδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκόλληση με βαθιά τήξη με λέιζερ, κοπή και διάτρηση, σκλήρυνση με κρούση κ.λπ.
Υπό διαφορετικές συνθήκες, διαφορετικά μήκη κύματος ακτινοβολίας λέιζερ σε διαφορετικά μεταλλικά υλικά θα οδηγήσουν σε συγκεκριμένες τιμές πυκνότητας ισχύος σε κάθε στάδιο.
Όσον αφορά την απορρόφηση λέιζερ από υλικά, η εξάτμιση των υλικών αποτελεί όριο. Όταν το υλικό δεν υφίσταται εξάτμιση, είτε στη στερεά είτε στην υγρή φάση, η απορρόφηση λέιζερ αλλάζει μόνο αργά με την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας. Μόλις το υλικό εξατμιστεί και σχηματίσει πλάσμα και οπές, η απορρόφηση 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 του λέιζερ και τη θερμοκρασία της επιφάνειας του υλικού. Όταν το υλικό δεν έχει λιώσει, 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 οπή κλειδαριάς. Το λέιζερ εισέρχεται στην οπή κλειδαριάς για πολλαπλές ανακλάσεις και απορρόφηση, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση του ρυθμού απορρόφησης του υλικού στο λέιζερ και τη 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 ανακλούν έντονα το υπέρυθρο φως μήκους κύματος 10,6 μm (CO2), ενώ ανακλούν ασθενώς το υπέρυθρο φως μήκους κύματος 1,06 μm (1060 nm). 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 έως 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 των μεταλλικών υλικών σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ χαμηλός. Όταν η θερμοκρασία ανέβει 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 λέιζερ από μεταλλικά υλικά – Κατάσταση επιφάνειας
Ο συμβατικός ρυθμός απορρόφησης μετριέται 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: η οξείδωση πρωτοτύπου, η αμμοβολή, ο καθαρισμός με λέιζερ, η επινικέλωση, η επικασσιτέρωση, η επίστρωση γραφίτη κ.λπ. μπορούν να βελτιώσουν τον ρυθμό απορρόφησης του λέιζερ από το υλικό.
Ο πυρήνας έχει ως στόχο την αύξηση της τραχύτητας της επιφάνειας του υλικού (η οποία ευνοεί τις πολλαπλές ανακλάσεις και την απορρόφηση λέιζερ), καθώς και την αύξηση του υλικού επικάλυψης με υψηλό ρυθμό απορρόφησης. Απορροφώντας την ενέργεια του λέιζερ και λιώνοντας και εξατμίζοντάς την μέσω υλικών υψηλού ρυθμού απορρόφησης, η θερμότητα του λέιζερ μεταδίδεται στο βασικό υλικό για να βελτιώσει τον ρυθμό απορρόφησης του υλικού και να μειώσει την εικονική συγκόλληση που προκαλείται από το φαινόμενο υψηλής ανάκλασης.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Νοεμβρίου 2023
