Interaksi antara laser dan bahan melibatkan banyak fenomena dan ciri fizikal. Tiga artikel seterusnya akan memperkenalkan tiga fenomena fizikal utama yang berkaitan dengan proses kimpalan laser untuk memberikan rakan sekerja pemahaman yang lebih jelas tentangproses kimpalan laser: dibahagikan kepada kadar penyerapan laser dan perubahan keadaan, plasma dan kesan lubang kunci. Kali ini, kami akan mengemas kini hubungan antara perubahan keadaan laser dan bahan serta kadar penyerapan.
Perubahan dalam keadaan jirim yang disebabkan oleh interaksi antara laser dan bahan
Pemprosesan laser bahan logam terutamanya berdasarkan pemprosesan haba kesan fototerma. Apabila penyinaran laser digunakan pada permukaan bahan, pelbagai perubahan akan berlaku pada kawasan permukaan bahan pada ketumpatan kuasa yang berbeza. Perubahan ini termasuk kenaikan suhu permukaan, lebur, pengewapan, pembentukan lubang kunci dan penjanaan plasma. Selain itu, perubahan dalam keadaan fizikal kawasan permukaan bahan sangat mempengaruhi penyerapan laser bahan. Dengan peningkatan ketumpatan kuasa dan masa tindakan, bahan logam akan mengalami perubahan berikut dalam keadaan:
Apabilakuasa laserketumpatan adalah rendah (<10 ^ 4w/cm ^ 2) dan masa penyinaran adalah singkat, tenaga laser yang diserap oleh logam hanya boleh menyebabkan suhu bahan meningkat dari permukaan ke dalam, tetapi fasa pepejal kekal tidak berubah . Ia digunakan terutamanya untuk penyepuhlindapan bahagian dan rawatan pengerasan transformasi fasa, dengan alat, gear, dan galas menjadi majoriti;
Dengan peningkatan ketumpatan kuasa laser (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) dan pemanjangan masa penyinaran, permukaan bahan secara beransur-ansur mencair. Apabila tenaga input meningkat, antara muka cecair-pepejal secara beransur-ansur bergerak ke arah bahagian dalam bahan. Proses fizikal ini digunakan terutamanya untuk pencairan semula permukaan, pengaloian, pelapisan, dan kimpalan kekonduksian haba logam.
Dengan meningkatkan lagi ketumpatan kuasa (>10 ^ 6w/cm ^ 2) dan memanjangkan masa tindakan laser, permukaan bahan bukan sahaja cair tetapi juga mengewap, dan bahan terwap berkumpul berhampiran permukaan bahan dan mengion lemah untuk membentuk plasma. Plasma nipis ini membantu bahan menyerap laser; Di bawah tekanan pengewapan dan pengembangan, permukaan cecair berubah bentuk dan membentuk lubang. Peringkat ini boleh digunakan untuk kimpalan laser, biasanya dalam kimpalan kekonduksian terma splicing sambungan mikro dalam 0.5mm.
Dengan meningkatkan lagi ketumpatan kuasa (>10 ^ 7w/cm ^ 2) dan memanjangkan masa penyinaran, permukaan bahan mengalami pengewapan kuat, membentuk plasma dengan tahap pengionan tinggi. Plasma padat ini mempunyai kesan perisai pada laser, sangat mengurangkan ketumpatan tenaga kejadian laser ke dalam bahan. Pada masa yang sama, di bawah daya tindak balas wap yang besar, lubang kecil, biasanya dikenali sebagai lubang kunci, terbentuk di dalam logam cair, Kewujudan lubang kunci bermanfaat untuk bahan menyerap laser, dan peringkat ini boleh digunakan untuk gabungan dalam laser. kimpalan, pemotongan dan penggerudian, pengerasan hentaman, dsb.
Di bawah keadaan yang berbeza, panjang gelombang penyinaran laser yang berbeza pada bahan logam yang berbeza akan menghasilkan nilai ketumpatan kuasa tertentu pada setiap peringkat.
Dari segi penyerapan laser oleh bahan, pengewapan bahan adalah sempadan. Apabila bahan tidak mengalami pengewapan, sama ada dalam fasa pepejal atau cecair, penyerapan lasernya hanya berubah secara perlahan dengan peningkatan suhu permukaan; Sebaik sahaja bahan mengewap dan membentuk plasma dan lubang kunci, penyerapan bahan laser secara tiba-tiba akan berubah.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, kadar penyerapan laser pada permukaan bahan semasa kimpalan laser berbeza dengan ketumpatan kuasa laser dan suhu permukaan bahan. Apabila bahan tidak cair, kadar penyerapan bahan ke laser perlahan-lahan meningkat dengan peningkatan suhu permukaan bahan. Apabila ketumpatan kuasa lebih besar daripada (10 ^ 6w/cm ^ 2), bahan mengewap dengan kuat, membentuk lubang kunci. Laser memasuki lubang kunci untuk pelbagai pantulan dan penyerapan, mengakibatkan peningkatan ketara dalam kadar penyerapan bahan ke laser dan peningkatan ketara dalam kedalaman lebur.
Penyerapan Laser oleh Bahan Logam – Panjang Gelombang
Rajah di atas menunjukkan lengkung hubungan antara pemantulan, penyerapan, dan panjang gelombang logam yang biasa digunakan pada suhu bilik. Di kawasan inframerah, kadar penyerapan berkurangan dan pemantulan meningkat dengan peningkatan panjang gelombang. Kebanyakan logam memantulkan cahaya inframerah panjang gelombang 10.6um (CO2) dengan kuat manakala memantulkan cahaya inframerah panjang gelombang 1.06um (1060nm) dengan lemah. Bahan logam mempunyai kadar penyerapan yang lebih tinggi untuk laser panjang gelombang pendek, seperti cahaya biru dan hijau.
Penyerapan Laser oleh Bahan Logam – Suhu Bahan dan Ketumpatan Tenaga Laser
Mengambil aloi aluminium sebagai contoh, apabila bahan itu pepejal, kadar penyerapan laser adalah sekitar 5-7%, kadar penyerapan cecair adalah sehingga 25-35%, dan ia boleh mencapai lebih 90% dalam keadaan lubang kunci.
Kadar penyerapan bahan ke laser meningkat dengan peningkatan suhu. Kadar penyerapan bahan logam pada suhu bilik adalah sangat rendah. Apabila suhu meningkat hampir kepada takat lebur, kadar penyerapannya boleh mencapai 40% ~ 60%. Jika suhu hampir dengan takat didih, kadar penyerapannya boleh mencapai setinggi 90%.
Penyerapan Laser oleh Bahan Logam – Keadaan Permukaan
Kadar penyerapan konvensional diukur menggunakan permukaan logam licin, tetapi dalam aplikasi praktikal pemanasan laser, biasanya perlu untuk meningkatkan kadar penyerapan bahan pantulan tinggi tertentu (aluminium, tembaga) untuk mengelakkan pematerian palsu yang disebabkan oleh pantulan tinggi;
Kaedah berikut boleh digunakan:
1. Mengguna pakai proses pra-rawatan permukaan yang sesuai untuk meningkatkan pemantulan laser: pengoksidaan prototaip, letupan pasir, pembersihan laser, penyaduran nikel, penyaduran timah, salutan grafit, dll. semuanya boleh meningkatkan kadar penyerapan bahan laser;
Intinya adalah untuk meningkatkan kekasaran permukaan bahan (yang kondusif kepada pelbagai pantulan dan penyerapan laser), serta meningkatkan bahan salutan dengan kadar penyerapan yang tinggi. Dengan menyerap tenaga laser dan mencairkan dan meruapkannya melalui bahan kadar penyerapan yang tinggi, haba laser dihantar ke bahan asas untuk meningkatkan kadar penyerapan bahan dan mengurangkan kimpalan maya yang disebabkan oleh fenomena pantulan tinggi.
Masa siaran: Nov-23-2023
