Lāzera un materiālu mijiedarbība ietver daudzas fizikālas parādības un īpašības. Nākamajos trīs rakstos tiks iepazīstināts ar trim galvenajām fizikālajām parādībām, kas saistītas ar lāzermetināšanas procesu, lai sniegtu kolēģiem skaidrāku izpratni par to.lāzera metināšanas process: sadalīts lāzera absorbcijas ātrumā un stāvokļa izmaiņās, plazmā un atslēgas cauruma efektā. Šoreiz mēs atjaunināsim saistību starp lāzera un materiālu stāvokļa izmaiņām un absorbcijas ātrumu.
Lāzera un materiālu mijiedarbības izraisītas vielas stāvokļa izmaiņas
Metāla materiālu lāzerapstrāde galvenokārt balstās uz fototermisko efektu termisko apstrādi. Kad lāzera starojums tiek pielietots materiāla virsmai, materiāla virsmas laukumā pie dažāda jaudas blīvuma notiek dažādas izmaiņas. Šīs izmaiņas ietver virsmas temperatūras paaugstināšanos, kušanu, iztvaikošanu, "atslēgas cauruma" veidošanos un plazmas ģenerēšanu. Turklāt izmaiņas materiāla virsmas laukumā būtiski ietekmē materiāla lāzera absorbciju. Palielinoties jaudas blīvumam un darbības laikam, metāla materiāls piedzīvo šādas stāvokļa izmaiņas:
Kadlāzera jaudablīvums ir zems (<10^4w/cm^2) un apstarošanas laiks ir īss, metāla absorbētā lāzera enerģija var izraisīt tikai materiāla temperatūras paaugstināšanos no virsmas uz iekšpusi, bet cietā fāze paliek nemainīga. To galvenokārt izmanto detaļu atkvēlināšanai un fāžu transformācijas sacietēšanas apstrādei, galvenokārt instrumentiem, zobratiem un gultņiem;
Palielinoties lāzera jaudas blīvumam (10^4–10^6w/cm^2) un pagarinoties apstarošanas laikam, materiāla virsma pakāpeniski kūst. Palielinoties ieejas enerģijai, šķidruma un cietvielas saskarne pakāpeniski virzās uz materiāla dziļāko daļu. Šo fizikālo procesu galvenokārt izmanto virsmu pārkausēšanai, leģēšanai, apšuvumam un metālu siltumvadītspējas metināšanai.
Vēl vairāk palielinot jaudas blīvumu (>10 ^ 6 W/cm ^ 2) un pagarinot lāzera darbības laiku, materiāla virsma ne tikai kūst, bet arī iztvaiko, un iztvaikotās vielas sakrājas pie materiāla virsmas un vāji jonizējas, veidojot plazmu. Šī plānā plazma palīdz materiālam absorbēt lāzeru; iztvaikošanas un izplešanās spiediena ietekmē šķidruma virsma deformējas un veido bedrītes. Šo posmu var izmantot lāzera metināšanai, parasti mikro savienojumu savienošanai ar siltumvadītspēju 0,5 mm robežās.
Vēl vairāk palielinot jaudas blīvumu (>10 ^ 7w/cm ^ 2) un pagarinot apstarošanas laiku, materiāla virsma spēcīgi iztvaiko, veidojot plazmu ar augstu jonizācijas pakāpi. Šai blīvajai plazmai ir ekranējoša iedarbība uz lāzeru, ievērojami samazinot materiālā krītošā lāzera enerģijas blīvumu. Tajā pašā laikā liela tvaika reakcijas spēka ietekmē izkausētā metāla iekšpusē veidojas mazi caurumiņi, kas parasti pazīstami kā atslēgas caurumiņi. Atslēgas caurumiņu esamība ir labvēlīga materiālam lāzera absorbcijai, un šo posmu var izmantot lāzera dziļās kausēšanas metināšanai, griešanai un urbšanai, trieciena sacietēšanai utt.
Dažādos apstākļos dažādi lāzera apstarošanas viļņu garumi uz dažādiem metāla materiāliem katrā posmā radīs noteiktas jaudas blīvuma vērtības.
Runājot par lāzera absorbciju materiālos, materiālu iztvaikošana ir robeža. Ja materiāls netiek iztvaikots, neatkarīgi no tā, vai tas ir cietā vai šķidrā fāzē, tā lāzera absorbcija mainās tikai lēni, palielinoties virsmas temperatūrai; Kad materiāls iztvaiko un veido plazmu un atslēgas caurumus, materiāla lāzera absorbcija pēkšņi mainās.
Kā parādīts 2. attēlā, lāzera absorbcijas ātrums uz materiāla virsmas lāzermetināšanas laikā mainās atkarībā no lāzera jaudas blīvuma un materiāla virsmas temperatūras. Ja materiāls nav izkusis, materiāla absorbcijas ātrums lāzerā lēnām palielinās, palielinoties materiāla virsmas temperatūrai. Kad jaudas blīvums ir lielāks par (10^6w/cm^2), materiāls spēcīgi iztvaiko, veidojot atslēgas caurumu. Lāzers nonāk atslēgas caurumā, veic vairākus atstarojumus un absorbciju, kā rezultātā ievērojami palielinās materiāla absorbcijas ātrums lāzerā un ievērojami palielinās kušanas dziļums.
Lāzera absorbcija metāla materiālos – viļņa garums
Iepriekš redzamajā attēlā redzama sakarības līkne starp bieži izmantoto metālu atstarošanas spēju, absorbciju un viļņa garumu istabas temperatūrā. Infrasarkanajā diapazonā absorbcijas ātrums samazinās un atstarošanas spēja palielinās, palielinoties viļņa garumam. Lielākā daļa metālu spēcīgi atstaro 10,6 μm (CO2) viļņa garuma infrasarkano gaismu, bet vāji atstaro 1,06 μm (1060 nm) viļņa garuma infrasarkano gaismu. Metālu materiāliem ir augstāki absorbcijas rādītāji īsviļņu lāzeriem, piemēram, zilai un zaļai gaismai.
Lāzera absorbcija metāla materiālos – materiāla temperatūra un lāzera enerģijas blīvums
Piemēram, alumīnija sakausējuma gadījumā, kad materiāls ir ciets, lāzera absorbcijas ātrums ir aptuveni 5–7%, šķidruma absorbcijas ātrums ir līdz 25–35%, un atslēgas cauruma stāvoklī tas var sasniegt vairāk nekā 90%.
Materiāla absorbcijas ātrums lāzerā palielinās, palielinoties temperatūrai. Metāla materiālu absorbcijas ātrums istabas temperatūrā ir ļoti zems. Kad temperatūra sasniedz kušanas temperatūru, absorbcijas ātrums var sasniegt 40–60 %. Ja temperatūra ir tuvu viršanas temperatūrai, absorbcijas ātrums var sasniegt pat 90 %.
Lāzera absorbcija metāla materiālos – virsmas stāvoklis
Parasto absorbcijas ātrumu mēra, izmantojot gludu metāla virsmu, taču lāzera sildīšanas praktiskajā pielietojumā parasti ir nepieciešams palielināt noteiktu augstas atstarošanas materiālu (alumīnija, vara) absorbcijas ātrumu, lai izvairītos no viltus lodēšanas, ko izraisa augsta atstarošana;
Var izmantot šādas metodes:
1. Atbilstošu virsmas pirmapstrādes procesu pieņemšana, lai uzlabotu lāzera atstarošanos: prototipa oksidēšana, smilšu strūkla, lāzera tīrīšana, niķeļa pārklāšana, alvas pārklāšana, grafīta pārklāšana utt. var uzlabot materiāla lāzera absorbcijas ātrumu;
Kodols ir paredzēts, lai palielinātu materiāla virsmas raupjumu (kas veicina vairākus lāzera atstarojumus un absorbciju), kā arī palielinātu pārklājuma materiāla absorbcijas ātrumu. Absorbējot lāzera enerģiju un izkausējot un iztvaicējot to caur materiāliem ar augstu absorbcijas ātrumu, lāzera siltums tiek pārnests uz pamatmateriālu, lai uzlabotu materiāla absorbcijas ātrumu un samazinātu virtuālo metināšanu, ko izraisa augsta atstarošanās fenomens.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 23. novembris
