Laserabsorptionsrate von Metallmaterialien

1.1 Änderungen des physikalischen Zustands durch die Wechselwirkung zwischen Laser und Materialien

Bei der Laserbearbeitung metallischer Werkstoffe handelt es sich überwiegend um eine thermische Bearbeitung, die auf photothermischen Effekten basiert. Wenn der Laser die Oberfläche des Materials bestrahlt, treten bei unterschiedlichen Leistungsdichten verschiedene Veränderungen in der Oberfläche auf. Zu diesen Veränderungen gehören:

Schmelzen: Wenn ein Material Laserenergie absorbiert, steigt seine Temperatur und erreicht möglicherweise seinen Schmelzpunkt, wodurch das Material von fest zu flüssig übergeht. Dieser Prozess wird häufig in Technologien wie verwendet Laserschweißen, Laserplattierungund Laser-Rapid-Prototyping.

Verdampfung und Sublimation: Wenn die Intensität des Lasers hoch genug ist, um die Temperatur des Materials schnell über seinen Siedepunkt zu erhöhen, geht das Material direkt vom festen oder flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand über. Dieses Verfahren wird in Technologien wie Laserschneiden, Laserbohren und Laserverdampfen eingesetzt.

Erstarrung: Der Prozess, bei dem Material nach der Lasererwärmung vom flüssigen in den festen Zustand zurückkehrt, wird als Erstarrung bezeichnet. Dieser Prozess ist im Laserfertigungsprozess üblich, insbesondere beim Laserlöten und bei 3D-Drucktechnologien.

Glühen: Durch Lasererwärmung kann die innere Spannung des Materials umverteilt werden, wodurch das Ziel erreicht wird, innere Spannungen zu reduzieren und die Materialleistung zu verbessern. Dieser Prozess geht nicht mit einer Phasenänderung einher, führt jedoch zu einer Neuordnung der Kristallstruktur und zu Änderungen der Materialeigenschaften.

Phasenumwandlungshärtung: Bestimmte Materialien (z. B. Stahl) durchlaufen während des Abkühlprozesses Phasenübergänge und gehen von einer kubisch-flächenzentrierten Struktur (Austenit) in eine kubisch-raumzentrierte Struktur (Martensit) über. Durch diese Umwandlung werden die Härte und Festigkeit des Materials deutlich erhöht. Das Laserhärten nutzt dieses Prinzip, indem es den Lasererwärmungs- und -kühlungsprozess steuert, um eine Härtung der Materialoberfläche oder lokaler Bereiche zu erreichen.

Photochemische Reaktion: Laserbestrahlung kann auch photochemische Reaktionen in Materialien auslösen. Zu diesen Reaktionen zählen nicht nur physikalische Prozesse (z. B. Photolyse, Photopolymerisation), sondern auch chemische Prozesse, die Materialeigenschaften grundlegend verändern können. Dieses Prinzip wird in Bereichen wie der Fotolithographie und der Oberflächenmodifizierung von Materialien eingesetzt.

Photochromie: Bei einigen Materialien kommt es unter Laserbestrahlung zu photochromen Reaktionen, also zu einer Veränderung der Farbe des Materials. Diese Veränderung wird durch Veränderungen in der elektronischen Struktur des Materials nach der Absorption von Lichtenergie verursacht. Diese Technologie hat potenziellen Anwendungswert in Bereichen wie Datenspeicherung und Anzeigetechnologie.

Der relevante Wirkmechanismus ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

1. Wenn die Laserleistungsdichte niedrig ist (<10^4w/cm^2) und die Bestrahlungszeit ist kurz, die vom Metall absorbierte Laserenergie kann nur dazu führen, dass die Temperatur des Materials von der Oberfläche nach innen ansteigt, die feste Phase bleibt jedoch unverändert. Wird hauptsächlich zum Glühen und Phasenwechselhärten von Teilen verwendet, hauptsächlich von Schneidwerkzeugen, Zahnrädern und Lagern.
   
2. Mit zunehmender Laserleistungsdichte (10^4~10^6w/cm^2) verlängert sich die Bestrahlungszeit, schmilzt die Oberflächenschicht des Materials allmählich. Mit zunehmender Eingangsenergie verschiebt sich die Flüssig-Fest-Phasengrenzfläche allmählich in die Tiefe des Materials. Dieses physikalische Verfahren wird hauptsächlich zum Oberflächenumschmelzen, Legieren, Plattieren und Wärmeleitschweißen von Metallen verwendet.
3. Erhöhen Sie die Leistungsdichte weiter (>10^6 W/cm^2) und verlängern Sie die Lasereinwirkungszeit. Die Oberfläche des Materials schmilzt nicht nur, sondern verdampft auch. Die Dämpfe sammeln sich nahe der Oberfläche des Materials und werden schwach ionisiert, um Plasma zu bilden. Dieses dünne Plasma hilft dem Material, den Laser zu absorbieren. Unter dem Verdampfungs- und Expansionsdruck verformt sich die Flüssigkeitsoberfläche und bildet Grübchen. Diese Stufe kann zum Laserschweißen verwendet werden, im Allgemeinen zum wärmeleitenden Schweißen von Mikroverbindungen innerhalb von 0.5 mm.
4. Wenn die Leistungsdichte weiter erhöht wird (>10^7w/cm^2) und die Bestrahlungszeit verlängert wird, wird die Oberfläche des Materials stark verdampft, um ein Plasma mit einem höheren Ionisierungsgrad zu bilden. Dieses dichte Plasma hat eine abschirmende Wirkung auf den Laser und verringert die Energiedichte des in das Material einfallenden Lasers erheblich. Gleichzeitig entsteht unter der großen Dampfreaktionskraft ein kleines Loch im geschmolzenen Metall, das üblicherweise als Schlüsselloch bezeichnet wird. Das Vorhandensein des Schlüssellochs begünstigt die Absorption des Lasers durch das Material. Diese Stufe kann zum Lasertiefschweißen, Schneiden und Bohren, Schlaghärten usw. verwendet werden.
   
   

Unter verschiedenen Bedingungen, wenn Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Metallmaterialien bestrahlen, gibt es bestimmte Unterschiede in den spezifischen Werten der Leistungsdichte in jeder Phase. In Bezug auf die Materialabsorption des Lasers ist die Verdampfung des Materials eine Trennlinie. Wenn das Material nicht verdampft, egal ob es sich in der festen oder flüssigen Phase befindet, ändert sich seine Laserabsorption nur langsam mit der Erhöhung der Oberflächentemperatur; Sobald das Material verdampft und Plasma und Schlüsselloch bildet, ändert sich die Laserabsorption des Materials plötzlich.

Die folgende Abbildung zeigt die Laserabsorptionsrate der Materialoberfläche während laser Schweißen ändert sich mit der Laserleistungsdichte und der Materialoberflächentemperatur. Wenn das Material nicht geschmolzen ist, steigt die Laserabsorptionsrate des Materials langsam an, wenn die Oberflächentemperatur des Materials steigt. Wenn die Leistungsdichte größer als (10^6 W/cm2) ist, verdampft das Material heftig und bildet ein Schlüsselloch, und der Laser dringt in das Schlüsselloch ein und wird mehrmals reflektiert. Durch die Absorption erhöht sich die Laserabsorptionsrate des Materials dramatisch und die Eindringtiefe nimmt deutlich zu.

1.2 Absorption von Laser durch Metallmaterialien – Wellenlänge

Laserabsorptionsmechanismus:
Die Laserabsorption durch Metalle erfolgt hauptsächlich durch die Bewegung freier Elektronen. Wenn ein Laser auf die Metalloberfläche scheint, versetzt sein elektromagnetisches Feld die freien Elektronen im Metall in Schwingungen. Diese Schwingungsenergie wird dann in Form von Wärme auf die metallische Gitterstruktur übertragen und erhitzt so das Material. Diese Absorptionseigenschaft von Metallen macht sie zu hervorragenden Materialien für die Laserbearbeitung.

Wirkung der Wellenlänge
Kurze Wellenlänge (UV- bis sichtbarer Lichtbereich):Metalle absorbieren im Allgemeinen kurzwellige Laser im kurzen Wellenlängenbereich leichter. Dies liegt daran, dass die freien Elektronen im Metall effektiv mit dem elektromagnetischen Feld des kurzwelligen Lichts interagieren können, wodurch Energie von der Lichtwelle in das Metall übertragen wird und ein thermischer Effekt entsteht. Kurzwellige Laser können eine höhere Positioniergenauigkeit und kleinere Fokusdurchmesser erreichen und eignen sich daher für die Feinbearbeitung.

Mittlere Wellenlänge (naher Infrarotbereich):Laser im nahen Infrarotbereich, wie z. B. Faserlaser (Wellenlänge ca. 1064 Nanometer), haben hohe Absorptionsraten in Metallen und sind der am häufigsten verwendete Wellenlängenbereich in der Metallbearbeitung. Laser dieser Wellenlänge können tief in das Metall eindringen und haben eine relativ hohe Absorptionsrate, wodurch es für die Tiefenverarbeitung und hocheffiziente Verarbeitung geeignet ist.

Lange Wellenlänge (ferner Infrarotbereich):Für langwellige Laser, wie z CO2-Laser (Wellenlänge beträgt etwa 10.6 Mikrometer) Mit zunehmender Wellenlänge nimmt normalerweise die Absorptionseffizienz der Laserenergie durch Metalle ab, was bedeutet, dass die Reflexion langwelliger Laser (z. B. Ferninfrarotlicht) auf der Metalloberfläche höher ist und die Absorptionsrate ist geringer. Die Absorptionsrate in Metallen ist relativ gering. Da seine Wellenlänge jedoch viel größer ist als die mittlere freie Weglänge der freien Elektronen von Metallen, ist seine Absorptionseffizienz in einigen spezifischen metallischen Materialien immer noch akzeptabel. Langwellige Laser werden hauptsächlich zur Bearbeitung nichtmetallischer Materialien eingesetzt, finden aber auch in einigen speziellen Metallbearbeitungsanwendungen Anwendung.

Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung zwischen Reflexionsgrad, Absorptionsvermögen und Wellenlänge häufig verwendeter Metalle bei Raumtemperatur. Im Infrarotbereich nimmt das Absorptionsvermögen ab und das Reflexionsvermögen nimmt mit zunehmender Wellenlänge zu. Die meisten Metalle reflektieren Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10.6 µm (CO2) stark. haben aber schwache Reflexionen bei Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1.06 µm (1060 nm). Metallische Materialien haben höhere Absorptionsraten für kurzwellige Laser, wie zLue-Licht und grünes Licht.

1.3 Laserabsorption durch Metallmaterialien – Temperatur

1.3.1 Absorptionsraten verschiedener Formen von Aluminiumlegierungen:

Wenn das Material fest ist, beträgt die Laserabsorptionsrate etwa 5-7 %;

Flüssigkeitsaufnahmerate bis 25-35 %;

Im Schlüssellochzustand kann er über 90 % erreichen.

1.3.2 Die Laserabsorptionsrate von Materialien steigt mit der Temperatur:

Die Absorptionsraten metallischer Werkstoffe sind bei Raumtemperatur sehr gering;

Wenn die Temperatur nahe an den Schmelzpunkt ansteigt, kann die Absorptionsrate 40 bis 60 % erreichen.

Liegt die Temperatur nahe am Siedepunkt, beträgt die Absorptionsrate bis zu 90 %.

1.4 Laserabsorption durch Metallmaterialien – Oberflächenbedingungen

Die herkömmliche Absorptionsfähigkeit wird anhand einer glatten Metalloberfläche gemessen. Bei praktischen Anwendungen der Lasererwärmung ist es in der Regel erforderlich, die Laserabsorptionsfähigkeit bestimmter hochreflektierender Materialien (Aluminium, Kupfer) zu erhöhen, um eine hohe Reflexion zu vermeiden, die zu Fehllötungen führt;

Folgende Methoden können eingesetzt werden: Um das Reflexionsvermögen des Lasers zu verbessern, werden geeignete Oberflächenvorbehandlungsprozesse eingesetzt. Prototypenoxidation, Sandstrahlen, laser Reinigung, Vernickeln, Verzinnen, Graphitbeschichten usw. können die Laserabsorptionsrate des Materials verbessern.