معدل امتصاص الليزر للمواد المعدنية

1.1 التغيرات في الحالة الفيزيائية الناتجة عن التفاعل بين الليزر والمواد

إن معالجة المواد المعدنية بالليزر هي في الأساس معالجة حرارية تعتمد على التأثيرات الحرارية الضوئية. عندما يشع الليزر سطح المادة، ستحدث تغييرات مختلفة مختلفة في مساحة السطح تحت كثافات طاقة مختلفة. وتشمل هذه التغييرات:

الانصهار: عندما تمتص المادة طاقة الليزر، ترتفع درجة حرارتها، وربما تصل إلى نقطة انصهارها، مما يؤدي إلى تحول المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة. تستخدم هذه العملية على نطاق واسع في تقنيات مثل اللحام بالليزر, الكسوة بالليزروالنماذج الأولية السريعة بالليزر.

التبخر والتسامي: إذا كانت شدة الليزر عالية بما يكفي لرفع درجة حرارة المادة بسرعة فوق نقطة الغليان، فإن المادة ستتحول مباشرة من الحالة الصلبة أو السائلة إلى الحالة الغازية. تُستخدم هذه العملية في تقنيات مثل القطع بالليزر والحفر بالليزر والتبخر بالليزر.

التصلب: عملية عودة المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بعد التسخين بالليزر تسمى التصلب. هذه العملية شائعة في عملية التصنيع بالليزر، خاصة في تقنيات اللحام بالليزر والطباعة ثلاثية الأبعاد.

التلدين: عن طريق التسخين بالليزر، يمكن إعادة توزيع الضغط الداخلي للمادة، وبالتالي تحقيق الغرض المتمثل في تقليل الضغط الداخلي وتحسين أداء المواد. لا تصاحب هذه العملية تغيير الطور، ولكنها ستتسبب في إعادة ترتيب البنية البلورية وتغييرات في خصائص المواد.

مرحلة التصلب التحويلي: ستخضع مواد معينة (مثل الفولاذ) لتحولات طورية أثناء عملية التبريد، حيث تنتقل من هيكل مكعب محوره الوجه (الأوستينيت) إلى هيكل مكعب محوره الجسم (مارتنسيت). يعزز هذا التحول بشكل كبير صلابة وقوة المادة. يستخدم التبريد بالليزر هذا المبدأ، من خلال التحكم في عملية التسخين والتبريد بالليزر، لتحقيق تصلب سطح المادة أو المناطق المحلية.

التفاعل الكيميائي الضوئي: يمكن أن يؤدي تشعيع الليزر أيضًا إلى حدوث تفاعلات كيميائية ضوئية في المواد. لا تشمل هذه التفاعلات العمليات الفيزيائية فقط (مثل التحلل الضوئي والبلمرة الضوئية) ولكن أيضًا العمليات الكيميائية التي يمكن أن تغير خصائص المواد بشكل أساسي. يُستخدم هذا المبدأ في مجالات مثل الطباعة الحجرية الضوئية وتعديل سطح المادة.

الفوتوكرومية: تخضع بعض المواد لتفاعلات فوتوكرومية تحت إشعاع الليزر، أي تغير في لون المادة. يحدث هذا التغيير بسبب التغيرات في البنية الإلكترونية للمادة بعد امتصاص الطاقة الضوئية. تتمتع هذه التقنية بقيمة تطبيقية محتملة في مجالات مثل تخزين البيانات وتكنولوجيا العرض.

تظهر آلية العمل ذات الصلة في الشكل أدناه:

1. عندما تكون كثافة طاقة الليزر منخفضة (<10^4w/cm^2) ووقت التشعيع قصير، فإن طاقة الليزر التي يمتصها المعدن لا يمكن إلا أن تتسبب في زيادة درجة حرارة المادة من السطح إلى الداخل، لكن الطور الصلب يبقى دون تغيير. يستخدم بشكل رئيسي للتليين وتصلب الأجزاء بتغيير الطور، خاصة أدوات القطع والتروس والمحامل.
   
2. مع زيادة كثافة طاقة الليزر (10^4~10^6w/cm^2) وإطالة وقت التشعيع، تذوب الطبقة السطحية للمادة تدريجيًا. مع زيادة الطاقة المدخلة، تتحرك واجهة الطور السائل والصلب تدريجيًا نحو عمق المادة. تُستخدم هذه العملية الفيزيائية بشكل أساسي في إعادة صهر الأسطح وصناعة السبائك والكسوة ولحام المعادن بالتوصيل الحراري.
3. قم بزيادة كثافة الطاقة (> 10^6 واط/سم^2) وإطالة وقت عمل الليزر. لا يذوب سطح المادة فحسب، بل يتبخر أيضًا. تتجمع الأبخرة بالقرب من سطح المادة وتتأين بشكل ضعيف لتشكل البلازما. تساعد هذه البلازما الرقيقة المادة على امتصاص الليزر؛ تحت ضغط التبخر والتمدد، يتشوه سطح السائل ويشكل حفرًا. يمكن استخدام هذه المرحلة للحام بالليزر، بشكل عام للحام التوصيل الحراري للتوصيلات الدقيقة في حدود 0.5 مم.
4. إذا تمت زيادة كثافة الطاقة (> 10^7w/cm^2) ويتم إطالة وقت التشعيع، وسيتم تبخير سطح المادة بقوة لتكوين بلازما ذات درجة تأين أعلى. هذه البلازما الكثيفة لها تأثير حماية على الليزر، مما يقلل بشكل كبير من كثافة طاقة الليزر الساقط على المادة. في الوقت نفسه، تحت قوة رد الفعل البخارية الكبيرة، يتشكل ثقب صغير داخل المعدن المنصهر، يسمى عادة ثقب المفتاح. إن وجود ثقب المفتاح يساعد على امتصاص المادة لليزر. يمكن استخدام هذه المرحلة مناسبة للحام العميق بالليزر، والقطع والحفر، والتصلب بالصدمات، وما إلى ذلك.
   
   

في ظل ظروف مختلفة، عندما تشع أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية المختلفة مواد معدنية مختلفة، سيكون هناك بعض الاختلافات في القيم المحددة لكثافة الطاقة في كل مرحلة. من حيث امتصاص المواد لليزر، فإن تبخير المادة هو خط فاصل. عندما لا تتبخر المادة، سواء كانت في الطور الصلب أو الطور السائل، فإن امتصاصها لليزر يتغير ببطء فقط مع زيادة درجة حرارة السطح؛ بمجرد أن تتبخر المادة وتشكل البلازما وثقب المفتاح، فإن امتصاص المادة لليزر، سيتغير الامتصاص فجأة.

ويوضح الشكل أدناه مدى معدل امتصاص الليزر لسطح المادة أثناء الليزر لحام يتغير مع كثافة طاقة الليزر ودرجة حرارة سطح المادة. عندما لا يتم ذوبان المادة، يزيد معدل امتصاص الليزر للمادة ببطء مع زيادة درجة حرارة سطح المادة. عندما تكون كثافة الطاقة أكبر من (10^6w/cm2)، تتبخر المادة بعنف، وتشكل ثقب المفتاح، ويدخل الليزر إلى ثقب المفتاح وينعكس عدة مرات. يؤدي الامتصاص إلى زيادة معدل امتصاص المادة لليزر بشكل كبير، وسيزداد عمق الاختراق بشكل كبير.

1.2 امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – الطول الموجي

آلية امتصاص الليزر:
يتم امتصاص الليزر بواسطة المعادن بشكل رئيسي من خلال حركة الإلكترونات الحرة. عندما يسلط الليزر على سطح المعدن، فإن مجاله الكهرومغناطيسي يدفع الإلكترونات الحرة في المعدن إلى الاهتزاز. ثم يتم نقل هذه الطاقة الاهتزازية على شكل حرارة إلى هيكل الشبكة المعدنية، وبالتالي تسخين المادة. خاصية الامتصاص هذه للمعادن تجعلها مواد ممتازة للمعالجة بالليزر.

تأثير الطول الموجي
الطول الموجي القصير (الأشعة فوق البنفسجية إلى منطقة الضوء المرئي): تمتص المعادن عمومًا الليزر ذو الطول الموجي القصير بسهولة أكبر في نطاق الطول الموجي القصير. وذلك لأن الإلكترونات الحرة في المعدن يمكن أن تتفاعل بشكل فعال مع المجال الكهرومغناطيسي للضوء ذو الطول الموجي القصير، مما يتسبب في نقل الطاقة من موجة الضوء إلى المعدن، مما يخلق تأثيرًا حراريًا. يمكن لأشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير تحقيق دقة أعلى في تحديد المواقع وأقطار تركيز أصغر، مما يجعلها مناسبة للمعالجة الدقيقة.

متوسط ​​الطول الموجي (بالقرب من منطقة الأشعة تحت الحمراء):تتمتع أجهزة الليزر في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء، مثل ليزر الألياف (الطول الموجي حوالي 1064 نانومتر)، بمعدلات امتصاص عالية في المعادن وهي نطاق الطول الموجي الأكثر استخدامًا في معالجة المعادن. يمكن لليزر بهذا الطول الموجي أن يخترق عمق المعدن وله معدل امتصاص مرتفع نسبيًا، مما يجعله مناسبًا للمعالجة العميقة والمعالجة عالية الكفاءة.

الطول الموجي الطويل (منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة):لأشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون (الطول الموجي حوالي 10.6 ميكرون)، ومع زيادة الطول الموجي، تنخفض عادة كفاءة امتصاص طاقة الليزر بواسطة المعادن، مما يعني أن انعكاس أشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل (مثل الأشعة تحت الحمراء البعيدة) على سطح المعدن يكون المعدل أعلى ويكون معدل الامتصاص أقل. ومعدل الامتصاص في المعادن منخفض نسبياً. ومع ذلك، نظرًا لأن طول موجته أكبر بكثير من متوسط ​​المسار الحر للإلكترون الحر للمعادن، فإن كفاءة امتصاصه في بعض المواد المعدنية المحددة لا تزال مقبولة. تُستخدم أشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل في المقام الأول لمعالجة المواد غير المعدنية، ولكن لها أيضًا استخدامات في بعض تطبيقات معالجة المعادن الخاصة.

يوضح الشكل أدناه العلاقة بين الانعكاس والامتصاص والطول الموجي للمعادن شائعة الاستخدام في درجة حرارة الغرفة. في منطقة الأشعة تحت الحمراء، تنخفض الامتصاصية وتزداد الانعكاسية مع زيادة الطول الموجي. تعكس معظم المعادن بقوة ضوء الأشعة تحت الحمراء ذو ​​الطول الموجي 10.6um (CO2)، ولكن لها انعكاسات ضعيفة على ضوء الأشعة تحت الحمراء ذو ​​الطول الموجي 1.06 ميكرومتر (1060 نانومتر). تتمتع المواد المعدنية بمعدلات امتصاص أعلى لأشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير، مثل بضوء لوي والضوء الأخضر.

1.3 امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – درجة الحرارة

1.3.1 معدلات امتصاص الأشكال المختلفة لسبائك الألومنيوم:

عندما تكون المادة صلبة، يكون معدل امتصاص الليزر حوالي 5-7%؛

معدل امتصاص السائل إلى 25-35%؛

يمكن أن تصل إلى أكثر من 90% في حالة ثقب المفتاح.

1.3.2 يزداد معدل امتصاص المواد بالليزر مع ارتفاع درجة الحرارة:

إن معدلات امتصاص المواد المعدنية في درجة حرارة الغرفة تكون قليلة جداً؛

عندما ترتفع درجة الحرارة بالقرب من نقطة الانصهار، يمكن أن يصل معدل الامتصاص إلى 40% ~ 60%؛

إذا كانت درجة الحرارة قريبة من نقطة الغليان، فإن معدل الامتصاص يصل إلى 90٪.

1.4 امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – الظروف السطحية

يتم قياس الامتصاصية التقليدية باستخدام سطح معدني أملس. في التطبيقات العملية للتسخين بالليزر، عادة ما يكون من الضروري زيادة امتصاصية الليزر لبعض المواد شديدة الانعكاس (الألومنيوم والنحاس) لتجنب الانعكاس العالي الذي يؤدي إلى لحام كاذب.

يمكن استخدام الطرق التالية: يتم اعتماد عمليات المعالجة السطحية المناسبة لتحسين انعكاس الليزر. الأكسدة النموذجية، السفع الرملي، الليزر  تنظيف والطلاء بالنيكل والطلاء بالقصدير وطلاء الجرافيت وما إلى ذلك يمكن أن يؤدي جميعها إلى تحسين معدل امتصاص الليزر للمادة.