Rychlost absorpce laseru kovových materiálů

1.1 Změny fyzikálního stavu způsobené interakcí mezi laserem a materiály

Laserové zpracování kovových materiálů je především tepelné zpracování založené na fototermálních účincích. Když laser ozařuje povrch materiálu, dojde k různým změnám v oblasti povrchu při různých hustotách výkonu. Tyto změny zahrnují:

Tavení: Když materiál absorbuje laserovou energii, jeho teplota vzroste, případně dosáhne bodu tání, což způsobí přechod materiálu z pevné látky na kapalinu. Tento proces je hojně využíván v technologiích jako např laserové svařování, laserové opláštěnía laserové rychlé prototypování.

Odpařování a sublimace: Pokud je intenzita laseru dostatečně vysoká, aby rychle zvýšila teplotu materiálu nad jeho bod varu, materiál přejde přímo z pevného nebo kapalného skupenství do plynného skupenství. Tento proces se používá v technologiích, jako je řezání laserem, laserové vrtání a laserové napařování.

Tuhnutí: Proces návratu materiálu z kapalného do pevného stavu po zahřátí laserem se nazývá tuhnutí. Tento proces je běžný v laserovém výrobním procesu, zejména v technologiích laserového pájení a 3D tisku.

Žíhání: Laserovým ohřevem lze přerozdělit vnitřní napětí materiálu, čímž se dosáhne účelu snížení vnitřního napětí a zlepšení vlastností materiálu. Tento proces nedoprovází fázovou změnu, ale způsobí přeskupení krystalové struktury a změny materiálových vlastností.

Kalení s fázovou transformací: Určité materiály (jako je ocel) projdou během procesu ochlazování fázovými přechody, které přecházejí z plošně centrované krychlové struktury (austenit) do kubické struktury centrované na tělo (martenzit). Tato přeměna výrazně zvyšuje tvrdost a pevnost materiálu. Laserové kalení využívá tohoto principu řízením procesu zahřívání a chlazení laseru, aby se dosáhlo vytvrzení povrchu materiálu nebo lokalizovaných oblastí.

Fotochemická reakce: Ozáření laserem může také spustit fotochemické reakce v materiálech. Tyto reakce zahrnují nejen fyzikální procesy (jako je fotolýza, fotopolymerizace), ale i chemické procesy, které mohou zásadně měnit vlastnosti materiálu. Tento princip se využívá v oblastech jako je fotolitografie a úprava povrchu materiálů.

Fotochromismus: Některé materiály podléhají fotochromním reakcím při ozařování laserem, to znamená změně barvy materiálu. Tato změna je způsobena změnami v elektronové struktuře materiálu po absorpci světelné energie. Tato technologie má potenciální aplikační hodnotu v oblastech, jako je ukládání dat a zobrazovací technologie.

Příslušný mechanismus účinku je znázorněn na obrázku níže:

1. Když je hustota výkonu laseru nízká (<10^4w/cm^2) a doba ozařování je krátká, laserová energie absorbovaná kovem může způsobit pouze zvýšení teploty materiálu od povrchu dovnitř, ale pevná fáze zůstává nezměněna. Používá se hlavně pro žíhání a kalení s fázovou změnou dílů, většinou řezných nástrojů, ozubených kol a ložisek.
   
2. Jak se hustota výkonu laseru zvyšuje (10^4~10^6w/cm^2) a doba ozařování se prodlužuje, povrchová vrstva materiálu postupně taje. Jak se vstupní energie zvyšuje, rozhraní kapalina-pevná fáze se postupně posouvá směrem k hloubce materiálu. Tento fyzikální proces se používá hlavně pro povrchové přetavování, legování, plátování a tepelně vodivé svařování kovů.
3. Dále zvyšte hustotu výkonu (>10^6w/cm^2) a prodlužte dobu působení laseru. Povrch materiálu se nejen taví, ale také odpařuje. Páry se shromažďují blízko povrchu materiálu a jsou slabě ionizovány za vzniku plazmy. Toto tenké plazma pomáhá materiálu absorbovat laser; pod tlakem vypařování a expanze se povrch kapaliny deformuje a tvoří důlky. Tento stupeň lze použít pro laserové svařování, obecně pro tepelně vodivé svařování mikrospojení do 0.5 mm.
4. Pokud se hustota výkonu dále zvýší (>10^7w/cm^2) a doba ozařování se prodlouží, povrch materiálu se silně odpaří za vzniku plazmy s vyšším stupněm ionizace. Tato hustá plazma má stínící účinek na laser, výrazně snižuje hustotu energie laseru dopadajícího do materiálu. Zároveň se pod velkou reakční silou páry uvnitř roztaveného kovu vytvoří malý otvor, obvykle nazývaný klíčová dírka. Existence klíčové dírky přispívá k absorpci laseru materiálem. Tento stupeň lze použít Vhodné pro laserové hluboké svařování, řezání a vrtání, rázové kalení atd.
   
   

Za různých podmínek, kdy lasery s různými vlnovými délkami ozařují různé kovové materiály, budou existovat určité rozdíly v konkrétních hodnotách hustoty výkonu v každé fázi. Z hlediska materiálové absorpce laseru je odpařování materiálu dělicí čárou. Když se materiál nevypařuje, ať už je v pevné fázi nebo v kapalné fázi, jeho absorpce laserem se mění jen pomalu se zvyšováním povrchové teploty; jakmile se materiál odpaří a vytvoří plazmu a klíčovou dírku, materiál je absorpce laseru, absorpce se náhle změní.

Obrázek níže ukazuje, jak se během laserové absorpce povrchu materiálu laser svařování se mění s hustotou výkonu laseru a teplotou povrchu materiálu. Když se materiál neroztaví, rychlost absorpce laseru materiálem se pomalu zvyšuje se zvyšující se povrchovou teplotou materiálu. Když je hustota výkonu větší než (10^6w/cm2), materiál se prudce vypařuje a vytváří klíčovou dírku a laser vstupuje do klíčové dírky a je několikrát odražen. Absorpce způsobuje dramatické zvýšení absorpce materiálu laserem a výrazně se zvýší hloubka průniku.

1.2 Absorpce laseru kovovými materiály – vlnová délka

Mechanismus absorpce laseru:
Absorpce laseru kovy se dosahuje především pohybem volných elektronů. Když laser zazáří na kovový povrch, jeho elektromagnetické pole přiměje volné elektrony v kovu k vibraci. Tato vibrační energie je pak přenášena ve formě tepla do kovové mřížkové struktury, čímž se materiál zahřívá. Tato absorpční charakteristika kovů z nich dělá vynikající materiály pro laserové zpracování.

Vliv vlnové délky
Krátká vlnová délka (od UV do oblasti viditelného světla):Kovy obecně absorbují krátkovlnný laser snadněji v rozsahu krátkých vlnových délek. Je to proto, že volné elektrony v kovu mohou účinně interagovat s elektromagnetickým polem krátkovlnného světla, což způsobuje přenos energie ze světelné vlny do kovu, čímž vzniká tepelný efekt. Lasery s krátkou vlnovou délkou mohou dosahovat vyšší přesnosti polohování a menších průměrů ohnisek, díky čemuž jsou vhodné pro jemné zpracování.

Střední vlnová délka (blízká infračervená oblast):Lasery v blízké infračervené oblasti, jako jsou vláknové lasery (vlnová délka přibližně 1064 nanometrů), mají vysokou absorpční rychlost v kovech a jsou nejběžněji používaným rozsahem vlnových délek při zpracování kovů. Laser této vlnové délky může proniknout hluboko do kovu a má relativně vysoká míra absorpce, díky čemuž je vhodná pro hluboké zpracování a vysoce účinné zpracování.

Dlouhá vlnová délka (daleká infračervená oblast):Pro dlouhovlnné lasery, jako např CO2 lasery (vlnová délka je asi 10.6 mikronů), s rostoucí vlnovou délkou obvykle klesá účinnost absorpce laserové energie kovy, což znamená, že odraz dlouhovlnných laserů (např. vzdáleného infračerveného světla) na povrchu kovu Rychlost je vyšší a míra absorpce je nižší. Míra absorpce v kovech je relativně nízká. Nicméně, protože jeho vlnová délka je mnohem větší než střední volná dráha volných elektronů u kovů, je jeho absorpční účinnost v některých specifických kovových materiálech stále přijatelná. Dlouhovlnné lasery se primárně používají pro zpracování nekovových materiálů, ale mají také použití v některých speciálních aplikacích zpracování kovů.

Obrázek níže ukazuje vztah mezi odrazivostí, absorpcí a vlnovou délkou běžně používaných kovů při pokojové teplotě. V infračervené oblasti se absorpce snižuje a odrazivost se zvyšuje s rostoucí vlnovou délkou. Většina kovů silně odráží infračervené světlo o vlnové délce 10.6 um (CO2), ale mají slabé odrazy na infračerveném světle o vlnové délce 1.06 um (1060 nm). Kovové materiály mají vyšší absorpční rychlost pro krátkovlnné lasery, jako je blue světlo a zelené světlo.

1.3 Absorpce laseru kovovými materiály – teplota

1.3.1 Rychlosti absorpce různých forem hliníkových slitin:

Když je materiál pevný, míra absorpce laseru je asi 5-7%;

Míra absorpce kapaliny na 25-35%;

Ve stavu klíčové dírky může dosáhnout více než 90 %.

1.3.2 Rychlost laserové absorpce materiálů se zvyšuje s teplotou:

Rychlosti absorpce kovových materiálů při pokojové teplotě jsou velmi malé;

Když teplota stoupne blízko bodu tání, může rychlost absorpce dosáhnout 40%~60%;

Pokud je teplota blízká bodu varu, je míra absorpce až 90 %.

1.4 Absorpce laseru kovovými materiály – povrchové podmínky

Běžná nasákavost se měří pomocí hladkého kovového povrchu. V praktických aplikacích laserového ohřevu je obvykle nutné zvýšit laserovou absorpci některých vysoce reflexních materiálů (hliník, měď), aby se zabránilo vysokému odrazu vedoucímu k falešnému pájení；

Lze použít následující metody: Pro zlepšení odrazivosti laseru jsou přijaty vhodné procesy předběžné úpravy povrchu. Prototypová oxidace, pískování, laser čištěníniklování, pocínování, grafitové potahování atd. mohou zlepšit míru absorpce laserem materiálu.