Скорость лазерного поглощения металлических материалов

1.1 Изменения физического состояния, вызванные взаимодействием лазера и материалов

Лазерная обработка металлических материалов представляет собой преимущественно термическую обработку, основанную на фототермических эффектах. Когда лазер облучает поверхность материала, на площади поверхности происходят различные изменения при различной плотности мощности. Эти изменения включают в себя:

Плавление: когда материал поглощает лазерную энергию, его температура повышается, возможно, достигая точки плавления, что приводит к переходу материала из твердого состояния в жидкое. Этот процесс широко используется в таких технологиях, как лазерная сварка, лазерная оболочкаи лазерное быстрое прототипирование.

Испарение и сублимация. Если интенсивность лазера достаточно высока, чтобы быстро поднять температуру материала выше точки кипения, материал перейдет непосредственно из твердого или жидкого состояния в газообразное. Этот процесс используется в таких технологиях, как лазерная резка, лазерное сверление и лазерное испарение.

Затвердевание: Процесс возвращения материала из жидкого состояния в твердое после лазерного нагрева называется затвердеванием. Этот процесс распространен в процессе лазерного производства, особенно в технологиях лазерной пайки и 3D-печати.

Отжиг: с помощью лазерного нагрева внутреннее напряжение материала можно перераспределить, тем самым достигая цели снижения внутреннего напряжения и улучшения характеристик материала. Этот процесс не сопровождается фазовым переходом, но вызывает перестройку кристаллической структуры и изменение свойств материала.

Упрочнение с фазовым превращением: некоторые материалы (например, сталь) в процессе охлаждения претерпевают фазовые переходы, переходя от гранецентрированной кубической структуры (аустенита) к объемноцентрированной кубической структуре (мартенсита). Такое преобразование значительно повышает твердость и прочность материала. Лазерная закалка использует этот принцип путем управления процессом лазерного нагрева и охлаждения для достижения упрочнения поверхности материала или локализованных участков.

Фотохимическая реакция. Лазерное излучение также может запускать фотохимические реакции в материалах. Эти реакции включают в себя не только физические процессы (такие как фотолиз, фотополимеризация), но и химические процессы, которые могут фундаментально изменить свойства материалов. Этот принцип используется в таких областях, как фотолитография и модификация поверхности материалов.

Фотохромизм: некоторые материалы подвергаются фотохромным реакциям под лазерным облучением, то есть изменению цвета материала. Это изменение вызвано изменениями электронной структуры материала после поглощения световой энергии. Эта технология имеет потенциальное применение в таких областях, как хранение данных и технология отображения.

Соответствующий механизм действия показан на рисунке ниже:

1. Когда плотность мощности лазера низкая (<10^4 Вт/см^2) и время облучения короткое, энергия лазера, поглощенная металлом, может только вызвать повышение температуры материала от поверхности внутрь, но твердая фаза остается неизменной. В основном используется для отжига и закалки с фазовым переходом деталей, в основном режущих инструментов, шестерен и подшипников.
   
2. По мере увеличения плотности мощности лазера (10^4~10^6Вт/см^2) и увеличения времени облучения, поверхностный слой материала постепенно плавится. По мере увеличения подводимой энергии граница раздела фаз жидкость-твердое тело постепенно перемещается в глубь материала. Этот физический процесс в основном используется для поверхностного переплава, легирования, плакирования и теплопроводной сварки металлов.
3. Дальнейшее увеличение плотности мощности (> 10^6 Вт/см^2) и увеличение времени действия лазера.. Поверхность материала не только плавится, но и испаряется. Пары собираются вблизи поверхности материала и слабо ионизируются с образованием плазмы. Эта тонкая плазма помогает материалу поглощать лазер; под давлением испарения и расширения поверхность жидкости деформируется и образует ямки. Этот этап можно использовать для лазерной сварки, как правило, для теплопроводной сварки микросоединений толщиной до 0.5 мм.
4. Если плотность мощности еще больше увеличится (> 10^7 Вт/см^2) и время облучения удлиняется, поверхность материала будет сильно испаряться с образованием плазмы с более высокой степенью ионизации. Эта плотная плазма оказывает экранирующее действие на лазер, значительно уменьшая плотность энергии лазерного излучения, падающего на материал. В то же время под действием большой силы реакции пара внутри расплавленного металла образуется небольшое отверстие, обычно называемое замочной скважиной. Наличие замочной скважины способствует поглощению лазера материалом. Этот этап можно использовать. Подходит для глубокой лазерной сварки, резки и сверления, ударной закалки и т. д.
   
   

В разных условиях, когда лазеры с разными длинами волн облучают разные металлические материалы, будут определенные различия в конкретных значениях плотности мощности на каждом этапе. С точки зрения поглощения материала лазером испарение материала является разделительной линией. Когда материал не испаряется, находится ли он в твердой или жидкой фазе, его поглощение лазера меняется лишь медленно с увеличением температуры поверхности; Как только материал испаряется и образует плазму и замочную скважину, поглощение лазера материалом внезапно изменится.

На рисунке ниже показано, как скорость поглощения лазера поверхностью материала во время лазер сварка изменяется в зависимости от плотности мощности лазера и температуры поверхности материала. Когда материал не плавится, скорость лазерного поглощения материала медленно увеличивается по мере увеличения температуры поверхности материала. Когда плотность мощности превышает (10^6 Вт/см2), материал бурно испаряется, образуя замочную скважину, а лазер попадает в замочную скважину и отражается несколько раз. Поглощение приводит к резкому увеличению скорости поглощения лазера материалом, а глубина проникновения значительно увеличивается.

1.2 Поглощение лазера металлическими материалами – длина волны

Механизм лазерного поглощения:
Поглощение лазера металлами достигается главным образом за счет движения свободных электронов. Когда лазер светит на поверхность металла, его электромагнитное поле заставляет свободные электроны в металле вибрировать. Эта колебательная энергия затем передается в виде тепла в структуру металлической решетки, тем самым нагревая материал. Эта характеристика поглощения металлов делает их отличными материалами для лазерной обработки.

Влияние длины волны
Короткая длина волны (от УФ до области видимого света):Металлы обычно легче поглощают коротковолновый лазер в коротковолновом диапазоне. Это связано с тем, что свободные электроны в металле могут эффективно взаимодействовать с электромагнитным полем коротковолнового света, вызывая передачу энергии от световой волны в металл, создавая тепловой эффект. Коротковолновые лазеры могут обеспечить более высокую точность позиционирования и меньший диаметр фокуса, что делает их пригодными для точной обработки.

Средневолновая (ближняя инфракрасная область):Лазеры ближнего инфракрасного диапазона, такие как волоконные лазеры (длина волны около 1064 нанометров), имеют высокую скорость поглощения в металлах и являются наиболее часто используемым диапазоном длин волн при обработке металлов. Лазер этой длины волны может проникать глубоко в металл и оказывать относительно высокая скорость поглощения, что делает его пригодным для глубокой обработки и высокоэффективной обработки.

Длинноволновая (дальняя инфракрасная область):Для длинноволновых лазеров, таких как CO2 лазеры (длина волны около 10.6 микрон), с увеличением длины волны эффективность поглощения лазерной энергии металлами обычно снижается, а это означает, что отражение длинноволновых лазеров (например, дальнего инфракрасного света) на поверхности металла Скорость выше и скорость поглощения ниже. Скорость поглощения в металлах относительно низкая. Тем не менее, поскольку его длина волны намного больше, чем длина свободного пробега свободных электронов металлов, его эффективность поглощения в некоторых конкретных металлических материалах все еще приемлема. Длинноволновые лазеры в основном используются для обработки неметаллических материалов, но их также можно использовать в некоторых специальных приложениях по обработке металлов.

На рисунке ниже показана взаимосвязь между коэффициентом отражения, поглощающей способностью и длиной волны обычно используемых металлов при комнатной температуре. В инфракрасной области поглощающая способность уменьшается, а отражательная способность увеличивается с увеличением длины волны. Большинство металлов сильно отражают инфракрасный свет с длиной волны 10.6 мкм (CO2), но имеют слабое отражение в инфракрасном свете с длиной волны 1.06 мкм (1060 нм). Металлические материалы имеют более высокую скорость поглощения для коротковолновых лазеров, таких как bЛю свет и зеленый свет.

1.3 Поглощение лазера металлическими материалами – температура

1.3.1 Скорость поглощения различных форм алюминиевых сплавов:

Когда материал твердый, степень поглощения лазера составляет около 5-7%;

Степень впитывания жидкости до 25-35%;

В состоянии замочной скважины он может достигать более 90%.

1.3.2 Скорость лазерного поглощения материалов увеличивается с температурой:

Скорость поглощения металлических материалов при комнатной температуре очень мала;

Когда температура приближается к температуре плавления, скорость поглощения может достигать 40–60%;

Если температура близка к температуре кипения, скорость поглощения достигает 90%.

1.4 Поглощение лазера металлическими материалами – состояние поверхности

Обычная поглощающая способность измеряется на гладкой металлической поверхности. При практическом применении лазерного нагрева обычно необходимо увеличить поглощающую способность лазера некоторых материалов с высокой отражающей способностью (алюминий, медь), чтобы избежать сильного отражения, приводящего к ложной пайке;

Могут быть использованы следующие методы: Для улучшения отражательной способности лазера применяются соответствующие процессы предварительной обработки поверхности. Окисление прототипа, пескоструйная обработка, лазер очистка, никелирование, олово, графитовое покрытие и т. д. могут улучшить скорость лазерного поглощения материала.