Szybkość absorpcji lasera przez materiały metalowe

1.1 Zmiany stanu fizycznego spowodowane interakcją lasera z materiałami

Obróbka laserowa materiałów metalicznych to głównie obróbka termiczna oparta na efektach fototermicznych. Kiedy laser naświetla powierzchnię materiału, przy różnych gęstościach mocy wystąpią różne zmiany na powierzchni. Zmiany te obejmują:

Topienie: Kiedy materiał pochłania energię lasera, jego temperatura wzrasta, prawdopodobnie osiągając temperaturę topnienia, powodując przejście materiału ze stanu stałego w ciecz. Proces ten jest szeroko stosowany w technologiach takich jak spawanie laserowe, okładziny laseroweoraz szybkie prototypowanie laserowe.

Parowanie i sublimacja: Jeśli intensywność lasera jest wystarczająco wysoka, aby szybko podnieść temperaturę materiału powyżej jego temperatury wrzenia, materiał przejdzie bezpośrednio ze stanu stałego lub ciekłego do stanu gazowego. Proces ten stosowany jest w technologiach takich jak cięcie laserowe, wiercenie laserowe i odparowywanie laserowe.

Zestalanie: Proces powrotu materiału ze stanu ciekłego do stanu stałego po nagrzaniu laserem nazywa się krzepnięciem. Proces ten jest powszechny w procesie produkcji laserów, szczególnie w technologiach lutowania laserowego i druku 3D.

Wyżarzanie: Dzięki ogrzewaniu laserowemu można rozłożyć naprężenia wewnętrzne materiału, osiągając w ten sposób cel polegający na zmniejszeniu naprężeń wewnętrznych i poprawie wydajności materiału. Procesowi temu nie towarzyszy przemiana fazowa, lecz spowoduje przegrupowanie struktury kryształu i zmiany właściwości materiału.

Hartowanie z przemianą fazową: Niektóre materiały (takie jak stal) ulegną przemianom fazowym podczas procesu chłodzenia, przechodząc od struktury sześciennej skupionej na powierzchni (austenit) do struktury sześciennej skupionej na ciele (martenzyt). Transformacja ta znacząco zwiększa twardość i wytrzymałość materiału. Hartowanie laserowe wykorzystuje tę zasadę, kontrolując proces nagrzewania i chłodzenia lasera, aby osiągnąć utwardzenie powierzchni materiału lub zlokalizowanych obszarów.

Reakcja fotochemiczna: Napromienianie laserem może również wywołać reakcje fotochemiczne w materiałach. Reakcje te obejmują nie tylko procesy fizyczne (takie jak fotoliza, fotopolimeryzacja), ale także procesy chemiczne, które mogą zasadniczo zmienić właściwości materiału. Zasada ta jest stosowana w takich obszarach jak fotolitografia i modyfikacja powierzchni materiałów.

Fotochromizm: Niektóre materiały ulegają reakcjom fotochromowym pod wpływem promieniowania laserowego, czyli zmianie koloru materiału. Zmiana ta spowodowana jest zmianami w strukturze elektronowej materiału po pochłonięciu energii świetlnej. Technologia ta może mieć potencjalne zastosowanie w takich dziedzinach, jak technologia przechowywania i wyświetlania danych.

Odpowiedni mechanizm działania przedstawiono na poniższym rysunku:

1. Gdy gęstość mocy lasera jest niska (<10^4w/cm^2) a czas naświetlania jest krótki, energia lasera pochłonięta przez metal może jedynie spowodować wzrost temperatury materiału od powierzchni do wewnątrz, ale faza stała pozostaje niezmieniona. Stosowany głównie do wyżarzania i utwardzania ze zmianą fazową części, głównie narzędzi skrawających, przekładni i łożysk.
   
2. Wraz ze wzrostem gęstości mocy lasera (10^4~10^6w/cm^2) i wydłużaniem się czasu naświetlania, wierzchnia warstwa materiału stopniowo się topi. Wraz ze wzrostem energii wejściowej granica faza ciecz-ciało stałe stopniowo przesuwa się w głąb materiału. Ten proces fizyczny jest stosowany głównie do przetapiania powierzchniowego, tworzenia stopów, napawania i spawania metali pod przewodnictwem cieplnym.
3. Dalsze zwiększenie gęstości mocy (>10^6w/cm^2) i wydłużenie czasu działania lasera. Powierzchnia materiału nie tylko topi się, ale także odparowuje. Opary gromadzą się blisko powierzchni materiału i są słabo zjonizowane, tworząc plazmę. Ta cienka plazma pomaga materiałowi wchłonąć laser; pod ciśnieniem parowania i ekspansji powierzchnia cieczy odkształca się i tworzy wgłębienia. Etap ten można wykorzystać do spawania laserowego, ogólnie do zgrzewania termoprzewodzącego mikropołączeń w promieniu 0.5 mm.
4. Jeśli gęstość mocy zostanie dodatkowo zwiększona (>10^7w/cm^2) i wydłuży się czas naświetlania, powierzchnia materiału ulegnie silnemu odparowaniu, tworząc plazmę o wyższym stopniu jonizacji. Ta gęsta plazma działa ekranująco na laser, znacznie zmniejszając gęstość energii lasera padającego na materiał. Jednocześnie pod wpływem dużej siły reakcji pary wewnątrz roztopionego metalu tworzy się mały otwór, zwany zwykle dziurką od klucza. Istnienie dziurki od klucza sprzyja absorpcji lasera przez materiał. Ten etap może być stosowany. Nadaje się do głębokiego spawania laserowego, cięcia i wiercenia, hartowania udarowego itp.
   
   

W różnych warunkach, gdy lasery o różnych długościach fal napromieniają różne materiały metalowe, na każdym etapie wystąpią pewne różnice w konkretnych wartościach gęstości mocy. Jeśli chodzi o absorpcję materiału przez laser, linią podziału jest parowanie materiału. Gdy materiał nie odparowuje, czy to w fazie stałej, czy w fazie ciekłej, jego absorpcja lasera zmienia się powoli wraz ze wzrostem temperatury powierzchni; gdy materiał odparuje i utworzy plazmę i dziurkę od klucza, absorpcja lasera przez materiał, absorpcja nagle się zmieni.

Poniższy rysunek pokazuje, jak przebiega absorpcja lasera przez powierzchnię materiału laser spawalniczy zmienia się wraz z gęstością mocy lasera i temperaturą powierzchni materiału. Gdy materiał nie jest stopiony, szybkość absorpcji lasera przez materiał rośnie powoli wraz ze wzrostem temperatury powierzchni materiału. Gdy gęstość mocy jest większa niż (10^6w/cm2), materiał gwałtownie odparowuje, tworząc dziurkę od klucza, a laser wchodzi do dziurki od klucza i odbija się wielokrotnie. Absorpcja powoduje, że szybkość absorpcji lasera przez materiał dramatycznie wzrasta, a głębokość penetracji znacznie wzrasta.

1.2 Absorpcja lasera przez materiały metalowe – długość fali

Mechanizm absorpcji lasera:
Absorpcja lasera przez metale odbywa się głównie poprzez ruch swobodnych elektronów. Kiedy laser świeci na powierzchnię metalu, jego pole elektromagnetyczne wprawia w drgania wolne elektrony w metalu. Ta energia wibracyjna jest następnie przenoszona w postaci ciepła do metalowej struktury siatkowej, podgrzewając w ten sposób materiał. Ta charakterystyka absorpcji metali czyni je doskonałymi materiałami do obróbki laserowej.

Wpływ długości fali
Krótka długość fali (od UV do obszaru światła widzialnego):Metale zazwyczaj łatwiej absorbują laser o krótkich falach w zakresie krótkich fal. Dzieje się tak, ponieważ wolne elektrony w metalu mogą skutecznie oddziaływać z polem elektromagnetycznym światła o krótkich falach, powodując przenoszenie energii z fali świetlnej do metalu, tworząc efekt termiczny. Lasery o krótkiej długości fali mogą osiągnąć większą dokładność pozycjonowania i mniejsze średnice ognisk, dzięki czemu nadają się do precyzyjnej obróbki.

Średnia długość fali (bliski obszar podczerwieni):Lasery działające w obszarze bliskiej podczerwieni, takie jak lasery światłowodowe (długość fali około 1064 nanometrów), charakteryzują się wysokim współczynnikiem absorpcji w metalach i stanowią najczęściej stosowany zakres długości fal w obróbce metali. Laser o tej długości fali może wnikać głęboko w metal i ma stosunkowo wysoki stopień wchłaniania, dzięki czemu nadaje się do głębokiego przetwarzania i przetwarzania o wysokiej wydajności.

Długie fale (obszar dalekiej podczerwieni):W przypadku laserów długofalowych, np Lasery CO2 (długość fali wynosi około 10.6 mikrona), wraz ze wzrostem długości fali skuteczność absorpcji energii lasera przez metale zwykle maleje, co oznacza, że ​​odbicie laserów o długich falach (takich jak światło dalekiej podczerwieni) na powierzchni metalu jest wyższe a szybkość absorpcji jest niższa. Szybkość absorpcji w metalach jest stosunkowo niska. Niemniej jednak, ponieważ jego długość fali jest znacznie większa niż średnia droga swobodna metali, jego skuteczność absorpcji w niektórych określonych materiałach metalicznych jest nadal akceptowalna. Lasery o dużej długości fali są używane głównie do obróbki materiałów niemetalowych, ale mają również zastosowanie w niektórych specjalnych zastosowaniach związanych z obróbką metali.

Poniższy rysunek pokazuje zależność między współczynnikiem odbicia, absorpcją i długością fali powszechnie stosowanych metali w temperaturze pokojowej. W obszarze podczerwieni współczynnik odbicia maleje, a współczynnik odbicia wzrasta wraz ze wzrostem długości fali. Większość metali silnie odbija światło podczerwone o długości fali 10.6 um (CO2), ale mają słabe odbicia w świetle podczerwonym o długości fali 1.06um (1060nm). Materiały metalowe mają wyższe współczynniki absorpcji w przypadku laserów krótkofalowych, takich jak bświatło niebieskie i zielone światło.

1.3 Absorpcja lasera przez materiały metalowe – temperatura

1.3.1 Szybkości absorpcji różnych postaci stopów aluminium:

Gdy materiał jest stały, współczynnik absorpcji lasera wynosi około 5-7%;

Szybkość wchłaniania cieczy do 25-35%;

W stanie dziurki od klucza może osiągnąć ponad 90%.

1.3.2 Szybkość absorpcji lasera przez materiały wzrasta wraz z temperaturą:

Szybkości absorpcji materiałów metalicznych w temperaturze pokojowej są bardzo małe;

Gdy temperatura wzrasta blisko temperatury topnienia, szybkość absorpcji może osiągnąć 40% ~ 60%;

Jeśli temperatura jest bliska wrzenia, stopień absorpcji wynosi aż 90%.

1.4 Absorpcja lasera przez materiały metalowe – stany powierzchniowe

Konwencjonalną absorpcję mierzy się za pomocą gładkiej metalowej powierzchni. W praktycznych zastosowaniach ogrzewania laserowego zwykle konieczne jest zwiększenie absorpcji lasera niektórych materiałów o wysokim współczynniku odbicia (aluminium, miedź), aby uniknąć silnego odbicia prowadzącego do fałszywego lutowania;

Można zastosować następujące metody: Stosuje się odpowiednie procesy wstępnej obróbki powierzchni w celu poprawy współczynnika odbicia lasera. utlenianie prototypów, piaskowanie, laser czyszczenie, niklowanie, cynowanie, powłoka grafitowa itp. mogą poprawić współczynnik absorpcji lasera przez materiał.