Lazerio ir medžiagų sąveika apima daug fizikinių reiškinių ir savybių. Kituose trijuose straipsniuose bus pristatyti trys pagrindiniai fizikiniai reiškiniai, susiję su lazerinio suvirinimo procesu, siekiant suteikti kolegoms aiškesnį supratimą apie...lazerinio suvirinimo procesas: suskirstyta į lazerio sugerties greitį ir būsenos pokyčius, plazmą ir rakto skylutės efektą. Šį kartą atnaujinsime lazerio ir medžiagų būsenos pokyčių bei sugerties greičio ryšį.
Lazerio ir medžiagų sąveikos sukelti medžiagos būsenos pokyčiai
Metalinių medžiagų lazerinis apdorojimas daugiausia grindžiamas fototerminių efektų terminiu apdorojimu. Kai lazerio spinduliuotė veikia medžiagos paviršių, esant skirtingam galios tankiui, medžiagos paviršiaus plote atsiranda įvairių pokyčių. Šie pokyčiai apima paviršiaus temperatūros kilimą, lydymą, garavimą, „rakto skylutės“ susidarymą ir plazmos susidarymą. Be to, medžiagos paviršiaus ploto fizinės būsenos pokyčiai labai veikia medžiagos lazerio spinduliuotės absorbciją. Didėjant galios tankiui ir veikimo laikui, metalinė medžiaga patiria šiuos būsenos pokyčius:
Kailazerio galiaTankis mažas (<10^4w/cm^2) ir apšvitos laikas trumpas, todėl metalo sugeriama lazerio energija gali sukelti tik medžiagos temperatūros kilimą nuo paviršiaus į vidų, tačiau kietoji fazė lieka nepakitusi. Jis daugiausia naudojamas detalių atkaitinimui ir fazinio virsmo grūdinimui, daugiausia naudojant įrankius, krumpliaračius ir guolius;
Didėjant lazerio galios tankiui (10^4–10^6w/cm^2) ir ilgėjant apšvitos laikui, medžiagos paviršius palaipsniui lydosi. Didėjant įėjimo energijai, skysčio ir kietosios medžiagos sąsaja palaipsniui juda link gilesnės medžiagos dalies. Šis fizikinis procesas daugiausia naudojamas metalų paviršiaus perlydymui, legiravimui, plakiravimui ir šilumos laidumo suvirinimui.
Toliau didinant galios tankį (>10 ^ 6 W/cm ^ 2) ir pailginant lazerio veikimo laiką, medžiagos paviršius ne tik išsilydo, bet ir išgaruoja, o išgaravusios medžiagos kaupiasi šalia medžiagos paviršiaus ir silpnai jonizuojasi, sudarydamos plazmą. Ši plona plazma padeda medžiagai sugerti lazerio spinduliuotę; veikiant garavimo ir plėtimosi slėgiui, skysčio paviršius deformuojasi ir susidaro duobutės. Šis etapas gali būti naudojamas lazeriniam suvirinimui, dažniausiai mikro jungčių sujungimui iki 0,5 mm, atsižvelgiant į šilumos laidumą.
Toliau didinant galios tankį (>10^7w/cm^2) ir pailginant apšvitos laiką, medžiagos paviršius stipriai garuoja, susidarant plazmai su dideliu jonizacijos laipsniu. Ši tanki plazma ekranuoja lazerį, žymiai sumažindama į medžiagą krintančio lazerio energijos tankį. Tuo pačiu metu, veikiant didelei garų reakcijos jėgai, išsilydžiusio metalo viduje susidaro mažos skylutės, paprastai vadinamos rakto skylutėmis. Rakto skylučių buvimas yra naudingas medžiagai, kad ji sugertų lazerio spinduliuotę, ir šis etapas gali būti naudojamas lazeriniam giluminiam lydymui, pjovimui ir gręžimui, smūginiam grūdinimui ir kt.
Skirtingomis sąlygomis skirtingi lazerio spinduliuotės bangos ilgiai, veikiantys skirtingas metalines medžiagas, kiekviename etape lems specifines galios tankio vertes.
Kalbant apie lazerio absorbciją medžiagose, medžiagų garavimas yra riba. Kai medžiaga negaruoja, nesvarbu, ar ji yra kietoje, ar skystoje fazėje, jos lazerio absorbcija kinta lėtai, didėjant paviršiaus temperatūrai; kai medžiaga išgaruoja ir susidaro plazma ir skylutės, medžiagos lazerio absorbcija staiga pasikeičia.
Kaip parodyta 2 paveiksle, lazerio sugerties greitis ant medžiagos paviršiaus lazerinio suvirinimo metu kinta priklausomai nuo lazerio galios tankio ir medžiagos paviršiaus temperatūros. Kai medžiaga nėra išlydyta, medžiagos sugerties greitis lazerio spinduliuose lėtai didėja didėjant medžiagos paviršiaus temperatūrai. Kai galios tankis yra didesnis nei (10^6w/cm^2), medžiaga smarkiai garuoja, sudarydama skylutę. Lazeris, patekęs į šią skylutę, daugkartiniu būdu atspindėja ir sugeria šviesą, todėl žymiai padidėja medžiagos sugerties greitis lazerio spinduliuose ir žymiai padidėja lydymosi gylis.
Lazerio absorbcija metalinėse medžiagose – bangos ilgis
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta dažniausiai naudojamų metalų atspindžio, sugerties ir bangos ilgio priklausomybės kreivė kambario temperatūroje. Infraraudonųjų spindulių srityje sugerties greitis mažėja, o atspindžio greitis didėja didėjant bangos ilgiui. Dauguma metalų stipriai atspindi 10,6 µm (CO2) bangos ilgio infraraudonąją šviesą, o silpnai – 1,06 µm (1060 nm) bangos ilgio infraraudonąją šviesą. Metalinės medžiagos pasižymi didesniu trumpųjų bangų ilgio lazerių, tokių kaip mėlyna ir žalia, sugerties greičiu.
Lazerio sugertis metalinėse medžiagose – medžiagos temperatūra ir lazerio energijos tankis
Pavyzdžiui, aliuminio lydinys, kai medžiaga yra kieta, lazerio sugerties greitis yra apie 5–7 %, skysčio sugerties greitis – iki 25–35 %, o rakto skylutės būsenoje gali siekti daugiau nei 90 %.
Medžiagos sugerties greitis lazerio spinduliuotėje didėja didėjant temperatūrai. Metalinių medžiagų sugerties greitis kambario temperatūroje yra labai mažas. Kai temperatūra pakyla iki lydymosi temperatūros, jos sugerties greitis gali siekti 40–60 %. Jei temperatūra artima virimo temperatūrai, jos sugerties greitis gali siekti net 90 %.
Lazerio sugertis metalinėse medžiagose – paviršiaus būklė
Įprastas sugerties greitis matuojamas naudojant lygų metalinį paviršių, tačiau praktiškai taikant lazerinį kaitinimą, paprastai reikia padidinti tam tikrų didelio atspindžio medžiagų (aliuminio, vario) sugerties greitį, kad būtų išvengta klaidingo litavimo, kurį sukelia didelis atspindys;
Galima naudoti šiuos metodus:
1. Tinkamų paviršiaus išankstinio apdorojimo procesų taikymas lazerio atspindžiui pagerinti: prototipo oksidavimas, smėliavimas, lazerinis valymas, nikelio dengimas, alavo dengimas, grafito dengimas ir kt. gali pagerinti medžiagos lazerio sugerties greitį;
Šerdis skirta padidinti medžiagos paviršiaus šiurkštumą (tai skatina daugybinius lazerio atspindžius ir absorbciją), taip pat padidinti dangos medžiagos sugerties greitį. Sugeriant lazerio energiją ir ją išlydant bei išgarinant per didelio sugerties greičio medžiagas, lazerio šiluma perduodama į pagrindinę medžiagą, taip pagerinant medžiagos sugerties greitį ir sumažinant virtualų suvirinimą, kurį sukelia didelis atspindžio reiškinys.
Įrašo laikas: 2023 m. lapkričio 23 d.
