Узаемадзеянне паміж лазерам і матэрыяламі ўключае ў сябе мноства фізічных з'яў і характарыстык. У наступных трох артыкулах будуць прадстаўлены тры ключавыя фізічныя з'явы, звязаныя з працэсам лазернай зваркі, каб даць калегам больш дакладнае разуменне...працэс лазернай зваркі: падзелена на хуткасць паглынання лазера і змены стану, плазму і эфект замочнай свідравіны. На гэты раз мы абновім сувязь паміж зменамі стану лазера і матэрыялаў і хуткасцю паглынання.
Змены ў стане рэчыва, выкліканыя ўзаемадзеяннем лазера з матэрыяламі
Лазерная апрацоўка металічных матэрыялаў у асноўным заснавана на тэрмічнай апрацоўцы фотатэрмічных эфектаў. Пры ўздзеянні лазернага выпраменьвання на паверхню матэрыялу пры рознай шчыльнасці магутнасці адбываюцца розныя змены на паверхні матэрыялу. Да гэтых змен адносяцца павышэнне тэмпературы паверхні, плаўленне, выпарэнне, утварэнне замочнай свідравіны і генерацыя плазмы. Акрамя таго, змены ў фізічным стане паверхні матэрыялу значна ўплываюць на паглынанне лазернага выпраменьвання матэрыялам. З павелічэннем шчыльнасці магутнасці і часу ўздзеяння, стан металічнага матэрыялу будзе змяняцца наступным чынам:
Калімагутнасць лазерашчыльнасць нізкая (<10 ^ 4 Вт/см ^ 2), а час апрамянення кароткі, лазерная энергія, паглынутая металам, можа выклікаць толькі павышэнне тэмпературы матэрыялу ад паверхні ўнутр, але цвёрдая фаза застаецца нязменнай. У асноўным выкарыстоўваецца для адпалу дэталяў і апрацоўкі фазавым пераходам, прычым пераважна выкарыстоўваецца для інструментаў, шасцярняў і падшыпнікаў;
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 паміж вадкасцю і цвёрдым целам паступова перамяшчаецца да глыбокай часткі матэрыялу. Гэты фізічны працэс у асноўным выкарыстоўваецца для павярхоўнага пераплаўлення, легіравання, плакавання і цеплаправоднай зваркі металаў.
Пры далейшым павелічэнні шчыльнасці магутнасці (>10^6 Вт/см^2) і падаўжэнні часу ўздзеяння лазера паверхня матэрыялу не толькі плавіцца, але і выпараецца, прычым выпараныя рэчывы збіраюцца паблізу паверхні матэрыялу і слаба іянізуюцца, утвараючы плазму. 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, звычайна пры зварцы цеплаправоднасцю мікразлучэнняў у межах 0,5 мм.
Пры далейшым павелічэнні шчыльнасці магутнасці (>10^7 Вт/см^2) і падаўжэнні часу апрамянення паверхня матэрыялу падвяргаецца моцнаму выпарэнню, утвараючы плазму з высокай ступенню іанізацыі. Гэтая шчыльная плазма аказвае экраніруючы эфект на лазер, значна зніжаючы шчыльнасць энергіі лазернага выпраменьвання, якое падае на матэрыял. У той жа час, пад уздзеяннем вялікай сілы рэакцыі пары, у расплаўленым метале ўтвараюцца невялікія адтуліны, звычайна вядомыя як замочныя свідравіны. Існаванне замочных свідравін спрыяе паглынанню лазера матэрыялам, і гэты этап можа быць выкарыстаны для лазернай глыбокай плаўнай зваркі, рэзкі і свідравання, ударнага ўмацавання і г.д.
Пры розных умовах розныя даўжыні хваль лазернага выпраменьвання на розных металічных матэрыялах прывядуць да пэўных значэнняў шчыльнасці магутнасці на кожным этапе.
Што тычыцца паглынання лазернага выпраменьвання матэрыяламі, то выпарэнне матэрыялаў з'яўляецца мяжой. Калі матэрыял не выпараецца, няхай гэта будзе ў цвёрдай або вадкай фазе, яго паглынанне лазернага выпраменьвання змяняецца толькі павольна з павышэннем тэмпературы паверхні. Пасля таго, як матэрыял выпараецца і ўтварае плазму і адтуліны, паглынанне лазернага выпраменьвання матэрыялам рэзка зменіцца.
Як паказана на малюнку 2, хуткасць паглынання лазернага выпраменьвання паверхняй матэрыялу падчас лазернай зваркі змяняецца ў залежнасці ад шчыльнасці магутнасці лазера і тэмпературы паверхні матэрыялу. Калі матэрыял не расплаўлены, хуткасць паглынання матэрыялу лазерам павольна павялічваецца з павышэннем тэмпературы паверхні матэрыялу. Калі шчыльнасць магутнасці перавышае (10^6 Вт/см^2), матэрыял рэзка выпараецца, утвараючы замочную свідравіну. Лазер пранікае ў замочную свідравіну для шматразовага адлюстравання і паглынання, што прыводзіць да значнага павелічэння хуткасці паглынання матэрыялу лазерам і значнага павелічэння глыбіні плаўлення.
Паглынанне лазера металічнымі матэрыяламі – даўжыня хвалі
На малюнку вышэй паказана крывая залежнасці паміж адбівальнай здольнасцю, паглынальнай здольнасцю і даўжынёй хвалі найбольш распаўсюджаных металаў пры пакаёвай тэмпературы. У інфрачырвоным дыяпазоне хуткасць паглынання памяншаецца, а адбівальная здольнасць павялічваецца з павелічэннем даўжыні хвалі. Большасць металаў моцна адлюстроўваюць інфрачырвонае святло з даўжынёй хвалі 10,6 мкм (CO2), і слаба адлюстроўваюць інфрачырвонае святло з даўжынёй хвалі 1,06 мкм (1060 нм). Металічныя матэрыялы маюць больш высокія хуткасці паглынання для лазераў з кароткай даўжынёй хвалі, такіх як сіняе і зялёнае святло.
Паглынанне лазера металічнымі матэрыяламі - тэмпература матэрыялу і шчыльнасць энергіі лазера
У якасці прыкладу, напрыклад, алюмініевы сплаў, калі матэрыял цвёрды, паглынанне лазера складае каля 5-7%, паглынанне вадкасці — да 25-35%, а ў стане з адкрытай свідравінай ён можа дасягаць больш за 90%.
Каэфіцыент паглынання лазернага выпраменьвання матэрыялам павялічваецца з павышэннем тэмпературы. Каэфіцыент паглынання металічных матэрыялаў пры пакаёвай тэмпературы вельмі нізкі. Калі тэмпература павышаецца да кропкі плаўлення, каэфіцыент паглынання можа дасягаць 40%~60%. Калі тэмпература блізкая да кропкі кіпення, каэфіцыент паглынання можа дасягаць 90%.
Паглынанне лазера металічнымі матэрыяламі — стан паверхні
Звычайна хуткасць паглынання вымяраецца з дапамогай гладкай металічнай паверхні, але ў практычных ужываннях лазернага нагрэву звычайна неабходна павялічыць хуткасць паглынання некаторых матэрыялаў з высокім адлюстраваннем (алюміній, медзь), каб пазбегнуць ілжывай пайкі, выкліканай высокім адлюстраваннем;
Можна выкарыстоўваць наступныя метады:
1. Прымяненне адпаведных працэсаў папярэдняй апрацоўкі паверхні для паляпшэння адбівальнай здольнасці лазера: акісленне прататыпаў, пяскоструйная апрацоўка, лазерная ачыстка, нікеляванне, луджэнне, графітавае пакрыццё і г.д. — усё гэта можа палепшыць хуткасць паглынання лазера матэрыялам;
Асноўная мэта заключаецца ў павелічэнні шурпатасці паверхні матэрыялу (што спрыяе шматразоваму адлюстраванню і паглынанню лазернага выпраменьвання), а таксама ў павелічэнні паглынання пакрыцця матэрыялам. Паглынаючы лазерную энергію, плаўляючы і выпарваючыся праз матэрыялы з высокім каэфіцыентам паглынання, лазернае цяпло перадаецца асноўнаму матэрыялу, паляпшаючы каэфіцыент паглынання матэрыялу і памяншаючы віртуальную зварку, выкліканую з'явай высокага адлюстравання.
Час публікацыі: 23 лістапада 2023 г.
