Lazerio ir medžiagų sąveika apima daugybę fizinių reiškinių ir savybių. Kituose trijuose straipsniuose bus pristatyti trys pagrindiniai fiziniai reiškiniai, susiję su suvirinimo lazeriu procesu, siekiant suteikti kolegoms aiškesnį supratimą apielazerinio suvirinimo procesas: padalintas į lazerio absorbcijos greitį ir būsenos pokyčius, plazmos ir rakto skylutės efektą. Šį kartą mes atnaujinsime ryšį tarp lazerio ir medžiagų būklės pokyčių bei absorbcijos greičio.
Medžiagos būsenos pokyčiai, atsirandantys dėl lazerio ir medžiagų sąveikos
Metalo medžiagų apdirbimas lazeriu daugiausia grindžiamas fototerminių efektų terminiu apdorojimu. Kai medžiagos paviršius yra apšvitintas lazeriu, įvairios galios tankio medžiagos paviršiaus plote įvyks įvairių pokyčių. Šie pokyčiai apima paviršiaus temperatūros kilimą, tirpimą, garavimą, rakto skylučių susidarymą ir plazmos susidarymą. Be to, medžiagos paviršiaus ploto fizinės būklės pokyčiai labai veikia medžiagos lazerio absorbciją. Didėjant galios tankiui ir veikimo laikui, metalinės medžiagos būsena pasikeis:
Kailazerio galiatankis mažas (<10 ^ 4w/cm ^ 2), o švitinimo laikas trumpas, lazerio energija, kurią sugeria metalas, gali tik sukelti medžiagos temperatūros kilimą nuo paviršiaus į vidų, tačiau kietoji fazė išlieka nepakitusi. . Jis daugiausia naudojamas dalims atkaitinti ir fazinio transformavimo grūdinimui, daugiausia įrankių, krumpliaračių ir guolių;
Didėjant lazerio galios tankiui (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) ir ilgėjant švitinimo laikui, medžiagos paviršius palaipsniui tirpsta. Didėjant įvesties energijai, skysčio ir kietos medžiagos sąsaja palaipsniui juda link gilios medžiagos dalies. Šis fizinis procesas daugiausia naudojamas metalų paviršiaus perlydymui, legiravimui, apkalimui ir šilumos laidumo suvirinimui.
Toliau didinant galios tankį (>10 ^ 6w/cm ^ 2) ir ilginant lazerio veikimo laiką, medžiagos paviršius ne tik išsilydo, bet ir išgaruoja, o išgarintos medžiagos renkasi prie medžiagos paviršiaus ir silpnai jonizuojasi, sudarydamos plazmą. Ši plona plazma padeda medžiagai sugerti lazerį; Esant garavimo ir plėtimosi slėgiui, skysčio paviršius deformuojasi ir susidaro duobės. Šis etapas gali būti naudojamas suvirinimui lazeriu, dažniausiai suvirinant šilumos laidumo koeficientą mikro jungtims 0,5 mm atstumu.
Toliau didinant galios tankį (>10 ^ 7w/cm ^ 2) ir ilginant švitinimo laiką, medžiagos paviršius stipriai išgaruoja, suformuodamas aukšto jonizacijos laipsnio plazmą. Ši tanki plazma turi lazerio ekranavimo efektą, labai sumažindama lazerio, patenkančio į medžiagą, energijos tankį. Tuo pačiu metu, esant didelei garų reakcijos jėgai, išlydyto metalo viduje susidaro mažos skylės, paprastai žinomos kaip raktų skylutės. Raktų skylių buvimas yra naudingas medžiagai, kuri sugeria lazerį, ir šis etapas gali būti naudojamas giluminiam lazerio sintezei. suvirinimas, pjovimas ir gręžimas, smūginis grūdinimas ir kt.
Esant skirtingoms sąlygoms, skirtingų metalinių medžiagų lazerio spinduliuotės bangos ilgiai kiekviename etape turės specifines galios tankio vertes.
Kalbant apie lazerio absorbciją medžiagų, medžiagų garavimas yra riba. Kai medžiaga negaruoja, tiek kietoje, tiek skystoje fazėje, jos lazerio sugertis keičiasi tik lėtai, didėjant paviršiaus temperatūrai; Kai medžiaga išgaruos ir suformuos plazmą bei rakto skylutes, medžiagos lazerio absorbcija staiga pasikeis.
Kaip parodyta 2 paveiksle, lazerio sugerties greitis medžiagos paviršiuje suvirinant lazeriu skiriasi priklausomai nuo lazerio galios tankio ir medžiagos paviršiaus temperatūros. Kai medžiaga neištirpsta, medžiagos sugerties greitis lazeryje lėtai didėja, didėjant medžiagos paviršiaus temperatūrai. Kai galios tankis yra didesnis nei (10 ^ 6w/cm ^ 2), medžiaga smarkiai išgaruoja, sudarydama rakto skylutę. Lazeris patenka į rakto skylutę, kad atsispindėtų ir sugertų daug kartų, todėl žymiai padidėja medžiagos sugerties greitis lazeryje ir žymiai padidėja lydymosi gylis.
Lazerio absorbcija metalinėmis medžiagomis – bangos ilgis
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta santykio kreivė tarp dažniausiai naudojamų metalų atspindžio, absorbcijos ir bangos ilgio kambario temperatūroje. Infraraudonųjų spindulių srityje sugerties greitis mažėja, o atspindys didėja didėjant bangos ilgiui. Dauguma metalų stipriai atspindi 10,6 um (CO2) bangos ilgio infraraudonąją šviesą, o silpnai atspindi 1,06 um (1060 nm) bangos ilgio infraraudonąją šviesą. Metalinės medžiagos turi didesnį trumpo bangos ilgio lazerių, tokių kaip mėlyna ir žalia šviesa, absorbcijos laipsnį.
Lazerio absorbcija metalinėmis medžiagomis – medžiagos temperatūra ir lazerio energijos tankis
Pavyzdžiui, aliuminio lydinys, kai medžiaga yra kieta, lazerio absorbcijos greitis yra apie 5–7%, skysčio sugerties greitis yra iki 25–35%, o rakto skylutės būsenoje jis gali siekti daugiau nei 90%.
Medžiagos absorbcijos greitis lazeryje didėja didėjant temperatūrai. Metalinių medžiagų absorbcijos greitis kambario temperatūroje yra labai mažas. Kai temperatūra pakyla iki beveik lydymosi taško, jo absorbcijos greitis gali siekti 40–60%. Jei temperatūra yra artima virimo temperatūrai, jos absorbcijos greitis gali siekti net 90%.
Lazerio sugėrimas metalinėmis medžiagomis – paviršiaus būklė
Įprastas sugerties greitis matuojamas naudojant lygų metalinį paviršių, tačiau praktiškai naudojant lazerinį kaitinimą dažniausiai reikia padidinti tam tikrų stipriai atspindinčių medžiagų (aliuminio, vario) sugerties greitį, kad būtų išvengta klaidingo litavimo, kurį sukelia didelis atspindys;
Gali būti naudojami šie metodai:
1. Tinkamų išankstinio paviršiaus apdorojimo procesų taikymas, siekiant pagerinti lazerio atspindį: prototipo oksidacija, smėliavimas, valymas lazeriu, nikeliavimas, skardinimas, grafito dengimas ir tt gali pagerinti medžiagos lazerio absorbcijos greitį;
Pagrindinis tikslas yra padidinti medžiagos paviršiaus šiurkštumą (kuris yra palankus daugeliui lazerio atspindžių ir sugerties), taip pat padidinti dangos medžiagą su dideliu sugerties greičiu. Sugeriant lazerio energiją ir tirpstant bei išgarinant ją per didelio sugerties greičio medžiagas, lazerio šiluma perduodama pagrindinei medžiagai, kad pagerintų medžiagos sugerties greitį ir sumažintų virtualų suvirinimą, kurį sukelia didelio atspindžio reiškinys.
Paskelbimo laikas: 2023-11-23
