Laserabsorptiesnelheid van metalen materialen

1.1 Veranderingen in de fysieke toestand veroorzaakt door de interactie tussen laser en materialen

De laserbewerking van metalen materialen is hoofdzakelijk een thermische bewerking op basis van fotothermische effecten. Wanneer de laser het oppervlak van het materiaal bestraalt, zullen er verschillende veranderingen optreden in het oppervlak onder verschillende vermogensdichtheden. Deze veranderingen omvatten:

Smelten: Wanneer een materiaal laserenergie absorbeert, stijgt de temperatuur en bereikt mogelijk het smeltpunt, waardoor het materiaal overgaat van vast naar vloeibaar. Dit proces wordt veel gebruikt in technologieën zoals laserlassen, lasercladdenen laser-rapid prototyping.

Verdamping en sublimatie: Als de intensiteit van de laser hoog genoeg is om de materiaaltemperatuur snel boven het kookpunt te brengen, zal het materiaal direct overgaan van een vaste of vloeibare toestand naar een gasvormige toestand. Dit proces wordt gebruikt in technologieën zoals lasersnijden, laserboren en laserverdamping.

Stolling: Het proces waarbij materiaal terugkeert van een vloeibare toestand naar een vaste toestand na laserverhitting wordt stolling genoemd. Dit proces is gebruikelijk in het laserproductieproces, vooral bij lasersolderen en 3D-printtechnologieën.

Gloeien: Door laserverwarming kan de interne spanning van het materiaal worden herverdeeld, waardoor het doel wordt bereikt om de interne spanning te verminderen en de materiaalprestaties te verbeteren. Dit proces gaat niet gepaard met faseverandering, maar zal wel een herschikking van de kristalstructuur en veranderingen in materiaaleigenschappen veroorzaken.

Fasetransformatie Verharding: Bepaalde materialen (zoals staal) zullen tijdens het koelproces faseovergangen ondergaan, waarbij ze overgaan van een kubusvormige structuur in het vlak (austeniet) naar een kubusvormige structuur in het midden van het lichaam (martensiet). Deze transformatie verbetert de hardheid en sterkte van het materiaal aanzienlijk. Bij laserdoving wordt gebruik gemaakt van dit principe, door het laserverwarmings- en koelproces te regelen, om de verharding van het materiaaloppervlak of plaatselijke gebieden te bereiken.

Fotochemische reactie: Laserbestraling kan ook fotochemische reacties in materialen veroorzaken. Deze reacties omvatten niet alleen fysische processen (zoals fotolyse, fotopolymerisatie) maar ook chemische processen, die materiaaleigenschappen fundamenteel kunnen veranderen. Dit principe wordt gebruikt op gebieden zoals fotolithografie en materiaaloppervlakmodificatie.

Fotochromisme: Sommige materialen ondergaan fotochrome reacties onder laserbestraling, dat wil zeggen een verandering in de kleur van het materiaal. Deze verandering wordt veroorzaakt door veranderingen in de elektronische structuur van het materiaal na het absorberen van lichtenergie. Deze technologie heeft potentiële toepassingswaarde op gebieden als gegevensopslag en weergavetechnologie.

Het relevante werkingsmechanisme wordt weergegeven in de onderstaande figuur:

1. Wanneer de laservermogensdichtheid laag is (<10^4w/cm^2) en de bestralingstijd is kort, de door het metaal geabsorbeerde laserenergie kan er alleen voor zorgen dat de temperatuur van het materiaal van het oppervlak naar binnen stijgt, maar de vaste fase blijft onveranderd. Hoofdzakelijk gebruikt voor het gloeien en faseveranderingsharden van onderdelen, meestal snijgereedschappen, tandwielen en lagers.
   
2. Naarmate de vermogensdichtheid van de laser toeneemt (10^4~10^6w/cm^2) en de bestralingstijd langer wordt, de oppervlaktelaag van het materiaal smelt geleidelijk. Naarmate de ingangsenergie toeneemt, beweegt het grensvlak tussen vloeistof en vaste fase geleidelijk naar de diepte van het materiaal. Dit fysieke proces wordt voornamelijk gebruikt voor het hersmelten van oppervlakken, legeren, bekleden en thermisch geleidend lassen van metalen.
3. Verhoog de vermogensdichtheid verder (>10^6w/cm^2) en verleng de laseractietijd. Het oppervlak van het materiaal smelt niet alleen, maar verdampt ook. De dampen verzamelen zich nabij het oppervlak van het materiaal en worden zwak geïoniseerd om plasma te vormen. Dit dunne plasma helpt het materiaal laser te absorberen; onder de druk van verdamping en uitzetting vervormt het vloeistofoppervlak en vormt het putjes. Deze tafel kan worden gebruikt voor laserlassen, in het algemeen voor thermisch geleidend lassen van microverbindingen binnen 0.5 mm.
4. Als de vermogensdichtheid verder wordt verhoogd (>10^7w/cm^2) en de bestralingstijd wordt verlengd, zal het oppervlak van het materiaal sterk verdampen om een ​​plasma te vormen met een hogere ionisatiegraad. Dit dichte plasma heeft een afschermend effect op de laser, waardoor de energiedichtheid van de laser die in het materiaal valt aanzienlijk wordt verminderd. Tegelijkertijd wordt onder de grote stoomreactiekracht een klein gaatje gevormd in het gesmolten metaal, gewoonlijk een sleutelgat genoemd. Het bestaan ​​van het sleutelgat is bevorderlijk voor de absorptie van de laser door het materiaal. Deze tafel kan gebruikt worden. Geschikt voor laserdieplassen, snijden en boren, slagharden etc.
   
   

Onder verschillende omstandigheden, wanneer lasers met verschillende golflengten verschillende metalen materialen bestralen, zullen er in elke fase bepaalde verschillen zijn in de specifieke waarden van de vermogensdichtheid. In termen van materiaalabsorptie van laser is de verdamping van het materiaal een scheidslijn. Wanneer het materiaal niet verdampt, of het zich nu in de vaste fase of de vloeibare fase bevindt, verandert de absorptie van de laser slechts langzaam met de toename van de oppervlaktetemperatuur; Zodra het materiaal verdampt en plasma en sleutelgat vormt, zal de absorptie van laser door het materiaal plotseling veranderen.

De onderstaande figuur laat zien hoe de laserabsorptiesnelheid van het materiaaloppervlak tijdens laser lassen verandert met de laservermogensdichtheid en de oppervlaktetemperatuur van het materiaal. Wanneer het materiaal niet gesmolten is, neemt de laserabsorptiesnelheid van het materiaal langzaam toe naarmate de oppervlaktetemperatuur van het materiaal toeneemt. Wanneer de vermogensdichtheid groter is dan (10^6w/cm2), verdampt het materiaal heftig, waardoor een sleutelgat ontstaat, en de laser komt het sleutelgat binnen en wordt meerdere keren gereflecteerd. Absorptie zorgt ervoor dat de absorptiesnelheid van het materiaal dramatisch toeneemt, en de penetratiediepte zal aanzienlijk toenemen.

1.2 Absorptie van laser door metalen materialen - golflengte

Laserabsorptiemechanisme:
De absorptie van laser door metalen wordt voornamelijk bereikt door de beweging van vrije elektronen. Wanneer een laser op het metalen oppervlak schijnt, zal het elektromagnetische veld ervan de vrije elektronen in het metaal aanzetten tot trillen. Deze trillingsenergie wordt vervolgens in de vorm van warmte overgebracht naar de metalen roosterstructuur, waardoor het materiaal wordt verwarmd. Deze absorptiekarakteristiek van metalen maakt ze tot uitstekende materialen voor laserbewerking.

Effect van golflengte
Korte golflengte (gebied van UV tot zichtbaar licht):Metalen absorberen lasers met een korte golflengte over het algemeen gemakkelijker in het korte golflengtebereik. Dit komt doordat de vrije elektronen in het metaal effectief kunnen interageren met het elektromagnetische veld van kortgolvig licht, waardoor energie van de lichtgolf naar het metaal wordt overgebracht, waardoor een thermisch effect ontstaat. Lasers met een korte golflengte kunnen een hogere positioneringsnauwkeurigheid en kleinere focusdiameters bereiken, waardoor ze geschikt zijn voor fijne verwerking.

Middengolflengte (nabij-infraroodgebied):Lasers in het nabij-infrarode gebied, zoals fiberlasers (golflengte ongeveer 1064 nanometer), hebben hoge absorptiesnelheden in metalen en vormen het meest gebruikte golflengtebereik bij metaalverwerking. Lasers met deze golflengte kunnen diep in het metaal doordringen en hebben een relatief hoge absorptiesnelheid, waardoor het geschikt is voor diepe verwerking en hoogefficiënte verwerking.

Lange golflengte (ver-infraroodgebied):Voor lasers met lange golflengte, zoals CO2-lasers (golflengte is ongeveer 10.6 micron), naarmate de golflengte toeneemt, neemt de absorptie-efficiëntie van laserenergie door metalen gewoonlijk af, wat betekent dat de reflectie van lasers met lange golflengte (zoals ver-infraroodlicht) op het metalen oppervlak hoger is en de absorptiesnelheid is lager. De absorptiesnelheid in metalen is relatief laag. Niettemin is de absorptie-efficiëntie in sommige specifieke metalen materialen nog steeds acceptabel, omdat de golflengte veel groter is dan het vrije elektron-gemiddelde vrije pad van metalen. Lasers met een lange golflengte worden voornamelijk gebruikt voor het verwerken van niet-metalen materialen, maar ze worden ook gebruikt in een aantal speciale metaalverwerkingstoepassingen.

De onderstaande figuur toont de relatie tussen reflectievermogen, absorptievermogen en golflengte van veelgebruikte metalen bij kamertemperatuur. In het infraroodgebied neemt het absorptievermogen af ​​en neemt het reflectievermogen toe naarmate de golflengte toeneemt. De meeste metalen reflecteren infrarood licht met een golflengte van 10.6 um (CO2) sterk. maar hebben zwakke reflecties op infraroodlicht met een golflengte van 1.06 um (1060 nm). Metalen materialen hebben hogere absorptiesnelheden voor lasers met korte golflengte, zoals blue-licht en groen licht.

1.3 Laserabsorptie door metalen materialen – temperatuur

1.3.1 Absorptiesnelheden van verschillende vormen van aluminiumlegeringen:

Wanneer het materiaal vast is, bedraagt ​​de laserabsorptie ongeveer 5-7%;

Vloeistofabsorptiesnelheid tot 25-35%;

Het kan meer dan 90% bereiken in de sleutelgatstaat.

1.3.2 De laserabsorptiesnelheid van materialen neemt toe met de temperatuur:

De absorptiesnelheden van metalen materialen bij kamertemperatuur zijn erg klein;

Wanneer de temperatuur dichtbij het smeltpunt stijgt, kan de absorptiesnelheid 40% ~ 60% bereiken;

Als de temperatuur dicht bij het kookpunt ligt, is de absorptiesnelheid maar liefst 90%.

1.4 Laserabsorptie door metalen materialen – oppervlakteomstandigheden

Conventionele absorptievermogen wordt gemeten met behulp van een glad metalen oppervlak. Bij praktische toepassingen van laserverwarming is het meestal nodig om het laserabsorptievermogen van bepaalde sterk reflecterende materialen (aluminium, koper) te vergroten om hoge reflectie te voorkomen die tot foutief solderen leidt;

De volgende methoden kunnen worden gebruikt: Er worden geschikte oppervlaktevoorbehandelingsprocessen toegepast om de reflectiviteit van de laser te verbeteren. Oxidatie van prototypes, zandstralen, laser schoonmaakVernikkelen, vertinnen, grafietcoating, enz. kunnen allemaal de laserabsorptiesnelheid van het materiaal verbeteren.