Узаемадзеянне паміж лазерам і матэрыяламі ўключае мноства фізічных з'яў і характарыстык. У наступных трох артыкулах будуць прадстаўлены тры асноўныя фізічныя з'явы, звязаныя з працэсам лазернай зваркі, каб даць калегам больш дакладнае разуменнепрацэс лазернай зваркі: падзяляецца на хуткасць паглынання лазера і змены стану, плазму і эфект замочнай свідравіны. На гэты раз мы абнавім сувязь паміж зменамі стану лазера і матэрыялаў і хуткасцю паглынання.
Змены стану рэчыва, выкліканыя ўзаемадзеяннем паміж лазерам і матэрыяламі
Лазерная апрацоўка металічных матэрыялаў у асноўным заснавана на тэрмічнай апрацоўцы фотатэрмічных эфектаў. Калі лазернае выпраменьванне ўжываецца да паверхні матэрыялу, розныя змены будуць адбывацца ў плошчы паверхні матэрыялу пры рознай шчыльнасці магутнасці. Гэтыя змены ўключаюць павышэнне тэмпературы паверхні, плаўленне, выпарэнне, адукацыю замочнай свідравіны і генерацыю плазмы. Акрамя таго, змены фізічнага стану паверхні матэрыялу моцна ўплываюць на паглынанне матэрыялам лазера. З павелічэннем шчыльнасці магутнасці і часу дзеяння металічны матэрыял зведае наступныя змены стану:
Калімагутнасць лазерашчыльнасць нізкая (<10 ^ 4 Вт/см ^ 2) і час апраменьвання кароткі, лазерная энергія, паглынутая металам, можа выклікаць толькі павышэнне тэмпературы матэрыялу ад паверхні да ўнутр, але цвёрдая фаза застаецца нязменнай . Ён у асноўным выкарыстоўваецца для адпалу дэталяў і апрацоўкі ўмацавання праз фазавае пераўтварэнне, прычым большасць з іх - інструменты, шасцярні і падшыпнікі;
З павелічэннем шчыльнасці магутнасці лазера (10 ^ 4-10 ^ 6 Вт/см ^ 2) і падаўжэннем часу апрамянення паверхня матэрыялу паступова плавіцца. Па меры павелічэння ўваходнай энергіі мяжа вадкасць-цвёрдае рэчыва паступова рухаецца да глыбокай часткі матэрыялу. Гэты фізічны працэс у асноўным выкарыстоўваецца для павярхоўнага пераплаўлення, легіравання, плакіроўкі і цеплаправоднай зваркі металаў.
Пры далейшым павелічэнні шчыльнасці магутнасці (>10 ^ 6 Вт/см ^ 2) і падаўжэнні часу дзеяння лазера паверхня матэрыялу не толькі плавіцца, але і выпараецца, а выпараныя рэчывы збіраюцца каля паверхні матэрыялу і слаба іянізуюцца з адукацыяй плазмы. Гэтая тонкая плазма дапамагае матэрыялу паглынаць лазер; Пад ціскам выпарэння і пашырэння паверхня вадкасці дэфармуецца і ўтварае ямкі. Гэты этап можа быць выкарыстаны для лазернай зваркі, як правіла, пры зварцы цеплаправоднасці мікразлучэнняў у межах 0,5 мм.
Пры далейшым павелічэнні шчыльнасці магутнасці (>10 ^ 7 Вт/см ^ 2) і падаўжэнні часу апрамянення паверхня матэрыялу моцна выпараецца, утвараючы плазму з высокай ступенню іянізацыі. Гэтая шчыльная плазма аказвае экрануючы эфект на лазер, значна зніжаючы шчыльнасць энергіі лазера, які падае на матэрыял. У той жа час пад дзеяннем вялікай сілы рэакцыі пары ўнутры расплаўленага металу ўтвараюцца невялікія адтуліны, шырока вядомыя як замочныя свідравіны. Існаванне замочных свідравін спрыяе паглынанню матэрыялам лазера, і гэты этап можа быць выкарыстаны для лазернага глыбокага сінтэзу зварка, рэзка і свідраванне, ударная загартоўка і інш.
У розных умовах розныя даўжыні хваль лазернага выпраменьвання на розных металічных матэрыялах прывядуць да пэўных значэнняў шчыльнасці магутнасці на кожнай стадыі.
З пункту гледжання паглынання лазера матэрыяламі, выпарэнне матэрыялаў з'яўляецца мяжой. Калі матэрыял не падвяргаецца выпарэнню, няхай гэта будзе ў цвёрдай або вадкай фазе, яго паглынанне лазера змяняецца толькі павольна з павышэннем тэмпературы паверхні; Як толькі матэрыял выпараецца і ўтварае плазму і замочныя свідравіны, паглынанне матэрыялам лазера раптоўна зменіцца.
Як паказана на малюнку 2, хуткасць паглынання лазера на паверхні матэрыялу падчас лазернай зваркі змяняецца ў залежнасці ад шчыльнасці магутнасці лазера і тэмпературы паверхні матэрыялу. Калі матэрыял не расплаўлены, хуткасць паглынання матэрыялам лазера павольна павялічваецца з павелічэннем тэмпературы паверхні матэрыялу. Калі шчыльнасць магутнасці перавышае (10 ^ 6 Вт/см ^ 2), матэрыял моцна выпараецца, утвараючы замочную свідравіну. Лазер трапляе ў замочную свідравіну для шматразовага адлюстравання і паглынання, што прыводзіць да значнага павелічэння хуткасці паглынання матэрыялам лазера і значнага павелічэння глыбіні плаўлення.
Паглынанне лазера металічнымі матэрыяламі – даўжыня хвалі
На малюнку вышэй паказана крывая залежнасці паміж каэфіцыентам адлюстравання, паглынальнай здольнасцю і даўжынёй хвалі металаў, якія звычайна выкарыстоўваюцца пры пакаёвай тэмпературы. У інфрачырвонай вобласці хуткасць паглынання памяншаецца, а адбівальная здольнасць павялічваецца з павелічэннем даўжыні хвалі. Большасць металаў моцна адлюстроўваюць інфрачырвонае святло з даўжынёй хвалі 10,6 мкм (CO2), у той час як слаба адлюстроўваюць інфрачырвонае святло з даўжынёй хвалі 1,06 мкм (1060 нм). Металічныя матэрыялы маюць больш высокі ўзровень паглынання лазераў з кароткай даўжынёй хвалі, напрыклад, сіняга і зялёнага святла.
Паглынанне лазера металічнымі матэрыяламі – тэмпература матэрыялу і шчыльнасць энергіі лазера
Прымаючы ў якасці прыкладу алюмініевы сплаў, калі матэрыял з'яўляецца цвёрдым, каэфіцыент паглынання лазера складае каля 5-7%, каэфіцыент паглынання вадкасці - да 25-35%, і можа дасягаць больш за 90% у стане замочнай свідравіны.
Хуткасць паглынання матэрыялам лазера павялічваецца з павышэннем тэмпературы. Хуткасць паглынання металічных матэрыялаў пры пакаёвай тэмпературы вельмі нізкая. Калі тэмпература падымаецца амаль да тэмпературы плаўлення, хуткасць паглынання можа дасягаць 40%~60%. Калі тэмпература блізкая да кропкі кіпення, хуткасць яго паглынання можа дасягаць 90%.
Паглынанне лазера металічнымі матэрыяламі – стан паверхні
Традыцыйная хуткасць паглынання вымяраецца з дапамогай гладкай металічнай паверхні, але ў практычных прымяненнях лазернага нагрэву звычайна неабходна павялічыць хуткасць паглынання некаторых матэрыялаў з высокім адлюстраваннем (алюміній, медзь), каб пазбегнуць фальшывай пайкі, выкліканай высокім адлюстраваннем;
Можна выкарыстоўваць наступныя метады:
1. Прымяненне адпаведных працэсаў папярэдняй апрацоўкі паверхні для паляпшэння адбівальнай здольнасці лазера: акісленне прататыпа, пескаструйная апрацоўка, лазерная ачыстка, нікеляванне, луджанне, графітнае пакрыццё і г. д. могуць палепшыць каэфіцыент паглынання лазера матэрыялам;
Ядро заключаецца ў павелічэнні шурпатасці паверхні матэрыялу (што спрыяе шматразовым лазерным адлюстраванням і паглынанню), а таксама ў павелічэнні матэрыялу пакрыцця з высокай хуткасцю паглынання. Паглынаючы лазерную энергію, расплаўляючы і выпарваючы яе праз матэрыялы з высокай хуткасцю паглынання, лазернае цяпло перадаецца асноўнаму матэрыялу, каб палепшыць хуткасць паглынання матэрыялу і паменшыць віртуальную зварку, выкліканую з'явай высокага адлюстравання.
Час публікацыі: 23 лістапада 2023 г
