อัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุโลหะ ประเทศไทย

1.1 การเปลี่ยนแปลงสถานะทางกายภาพที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ

การประมวลผลด้วยเลเซอร์ของวัสดุโลหะส่วนใหญ่เป็นการประมวลผลด้วยความร้อนโดยอาศัยผลกระทบจากความร้อนจากแสง เมื่อเลเซอร์ฉายรังสีพื้นผิวของวัสดุ การเปลี่ยนแปลงต่างๆ จะเกิดขึ้นในพื้นที่ผิวภายใต้ความหนาแน่นของพลังงานที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้รวมถึง:

การหลอมละลาย: เมื่อวัสดุดูดซับพลังงานเลเซอร์ อุณหภูมิของวัสดุจะเพิ่มขึ้น และอาจถึงจุดหลอมเหลว ส่งผลให้วัสดุเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว กระบวนการนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีเช่น การเชื่อมด้วยเลเซอร์, การหุ้มด้วยเลเซอร์และการสร้างต้นแบบด้วยเลเซอร์อย่างรวดเร็ว

การระเหยและการระเหิด: หากความเข้มของเลเซอร์สูงพอที่จะทำให้อุณหภูมิของวัสดุสูงกว่าจุดเดือดอย่างรวดเร็ว วัสดุจะเปลี่ยนจากสถานะของแข็งหรือของเหลวไปเป็นสถานะก๊าซโดยตรง กระบวนการนี้ใช้ในเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ การเจาะด้วยเลเซอร์ และการระเหยด้วยเลเซอร์

การแข็งตัว: กระบวนการของวัสดุที่เปลี่ยนจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะของแข็งหลังจากการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์เรียกว่าการแข็งตัว กระบวนการนี้เป็นเรื่องปกติในกระบวนการผลิตเลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมด้วยเลเซอร์และเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

การหลอม: ด้วยการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ ความเค้นภายในของวัสดุสามารถกระจายใหม่ได้ จึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการลดความเค้นภายในและปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุ กระบวนการนี้ไม่มาพร้อมกับการเปลี่ยนเฟส แต่จะทำให้เกิดการจัดเรียงโครงสร้างผลึกใหม่และการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุ

การแข็งตัวของการเปลี่ยนสถานะ: วัสดุบางชนิด (เช่น เหล็กกล้า) จะต้องผ่านการเปลี่ยนสถานะในระหว่างกระบวนการทำความเย็น โดยเปลี่ยนจากโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางที่ผิวหน้า (ออสเทนไนต์) ไปจนถึงโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางที่ตัวถัง (มาร์เทนไซต์) การเปลี่ยนแปลงนี้ช่วยเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงของวัสดุได้อย่างมาก การดับด้วยเลเซอร์ใช้หลักการนี้ โดยการควบคุมกระบวนการทำความร้อนและความเย็นด้วยเลเซอร์ เพื่อให้พื้นผิววัสดุแข็งตัวหรือบริเวณเฉพาะจุด

ปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล: การฉายรังสีด้วยเลเซอร์สามารถกระตุ้นปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอลในวัสดุได้ ปฏิกิริยาเหล่านี้ไม่เพียงแต่รวมถึงกระบวนการทางกายภาพ (เช่น โฟโตไลซิส, ปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันด้วยแสง) แต่ยังรวมถึงกระบวนการทางเคมีด้วย ซึ่งสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุขั้นพื้นฐานได้ หลักการนี้ใช้ในด้านต่างๆ เช่น การพิมพ์หินด้วยแสงและการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุ

โฟโตโครมิซึม: วัสดุบางชนิดเกิดปฏิกิริยาโฟโตโครมิกภายใต้การฉายรังสีด้วยเลเซอร์ ซึ่งก็คือการเปลี่ยนสีของวัสดุ การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุหลังจากการดูดซับพลังงานแสง เทคโนโลยีนี้มีประโยชน์ในการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น การจัดเก็บข้อมูลและเทคโนโลยีการแสดงผล

กลไกการออกฤทธิ์ที่เกี่ยวข้องแสดงในรูปด้านล่าง:

1. เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ต่ำ (<10^4w/cm^2) และเวลาในการฉายรังสีนั้นสั้น พลังงานเลเซอร์ที่ดูดซับโดยโลหะสามารถทำให้อุณหภูมิของวัสดุเพิ่มขึ้นจากพื้นผิวสู่ด้านในเท่านั้น แต่เฟสของแข็งยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการอบอ่อนและการเปลี่ยนเฟสการแข็งตัวของชิ้นส่วน ส่วนใหญ่เป็นเครื่องมือตัด เกียร์ และแบริ่ง
   
2. เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์เพิ่มขึ้น (10^4~10^6w/cm^2) และเวลาการฉายรังสีจะยาวขึ้นชั้นผิวของวัสดุจะค่อยๆละลาย เมื่อพลังงานอินพุตเพิ่มขึ้น ส่วนต่อประสานเฟสของเหลวและของแข็งจะค่อยๆ เคลื่อนไปทางความลึกของวัสดุ กระบวนการทางกายภาพนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการหลอมพื้นผิว การผสม การหุ้ม และการเชื่อมการนำความร้อนของโลหะ
3. เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มเติม (>10^6w/cm^2) และเพิ่มระยะเวลาในการทำงานของเลเซอร์- พื้นผิวของวัสดุไม่เพียงแต่ละลาย แต่ยังระเหยกลายเป็นไออีกด้วย ไอระเหยรวมตัวกันใกล้พื้นผิวของวัสดุและแตกตัวเป็นไอออนอย่างอ่อนจนเกิดเป็นพลาสมา พลาสมาบางๆ นี้จะช่วยให้วัสดุดูดซับเลเซอร์ ภายใต้แรงกดดันของการกลายเป็นไอและการขยายตัว พื้นผิวของของเหลวจะเปลี่ยนรูปและก่อตัวเป็นหลุม ขั้นตอนนี้สามารถใช้สำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยทั่วไปสำหรับการเชื่อมแบบนำความร้อนของการเชื่อมต่อขนาดเล็กภายใน 0.5 มม.
4. หากความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นอีก (>10^7w/cm^2) และเวลาการฉายรังสีจะนานขึ้น พื้นผิวของวัสดุจะถูกทำให้กลายเป็นไออย่างรุนแรงจนเกิดเป็นพลาสมาที่มีระดับไอออไนซ์สูงขึ้น พลาสมาที่มีความหนาแน่นนี้มีผลในการป้องกันเลเซอร์ ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์ที่ตกกระทบเข้าไปในวัสดุได้อย่างมาก ในเวลาเดียวกัน ภายใต้แรงปฏิกิริยาไอน้ำขนาดใหญ่ รูเล็กๆ จะเกิดขึ้นภายในโลหะหลอมเหลว ซึ่งมักเรียกว่ารูกุญแจ การมีอยู่ของรูกุญแจเอื้อต่อการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุ ขั้นตอนนี้สามารถใช้ได้ เหมาะสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ลึก การตัดและการเจาะ การชุบแข็งด้วยแรงกระแทก ฯลฯ
   
   

ภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน เมื่อเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันฉายรังสีวัสดุโลหะที่แตกต่างกัน จะมีความแตกต่างบางประการในค่าเฉพาะของความหนาแน่นของพลังงานในแต่ละขั้นตอน ในแง่ของการดูดซับวัสดุของเลเซอร์ การกลายเป็นไอของวัสดุจะเป็นเส้นแบ่ง เมื่อวัสดุไม่กลายเป็นไอ ไม่ว่าจะอยู่ในสถานะของแข็งหรือของเหลว การดูดกลืนแสงของเลเซอร์จะเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นเท่านั้น เมื่อวัสดุระเหยกลายเป็นพลาสมาและรูกุญแจ การดูดซับเลเซอร์ของวัสดุ การดูดซับจะเปลี่ยนไปทันที

รูปด้านล่างแสดงให้เห็นว่าอัตราการดูดกลืนแสงเลเซอร์ของพื้นผิววัสดุในระหว่างนั้นเป็นอย่างไร เลเซอร์ การเชื่อมโลหะ การเปลี่ยนแปลงกับความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์และอุณหภูมิพื้นผิวของวัสดุ เมื่อวัสดุไม่ละลาย อัตราการดูดซึมเลเซอร์ของวัสดุจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวของวัสดุเพิ่มขึ้น เมื่อความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า (10^6w/cm2) วัสดุจะระเหยอย่างรุนแรง ก่อตัวเป็นรูกุญแจ และเลเซอร์จะเข้าสู่รูกุญแจและสะท้อนกลับหลายครั้ง การดูดซับทำให้อัตราการดูดซับของเลเซอร์ของวัสดุเพิ่มขึ้นอย่างมาก และความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

1.2 การดูดซับเลเซอร์ด้วยวัสดุโลหะ—ความยาวคลื่น

กลไกการดูดซับด้วยเลเซอร์:
การดูดกลืนแสงเลเซอร์ด้วยโลหะส่วนใหญ่ทำได้โดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ เมื่อเลเซอร์ฉายบนพื้นผิวโลหะ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมันจะขับเคลื่อนอิเล็กตรอนอิสระในโลหะให้สั่นสะเทือน จากนั้นพลังงานการสั่นสะเทือนนี้จะถูกถ่ายโอนในรูปของความร้อนไปยังโครงสร้างตาข่ายโลหะ ซึ่งจะทำให้วัสดุร้อนขึ้น ลักษณะการดูดซับของโลหะนี้ทำให้เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับการแปรรูปด้วยเลเซอร์

ผลกระทบของความยาวคลื่น
ความยาวคลื่นสั้น (UV ไปยังบริเวณแสงที่มองเห็นได้):โดยทั่วไปโลหะจะดูดซับเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นได้ง่ายกว่าในช่วงความยาวคลื่นสั้น เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระในโลหะสามารถโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงความยาวคลื่นสั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้พลังงานถูกถ่ายโอนจากคลื่นแสงเข้าสู่โลหะ ทำให้เกิดผลกระทบด้านความร้อน เลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นสามารถให้ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งที่สูงขึ้นและมีเส้นผ่านศูนย์กลางโฟกัสเล็กลง ทำให้เหมาะสำหรับการประมวลผลที่ละเอียด

ความยาวคลื่นกลาง (ใกล้บริเวณอินฟราเรด):เลเซอร์ในบริเวณใกล้อินฟราเรด เช่น ไฟเบอร์เลเซอร์ (ความยาวคลื่นประมาณ 1064 นาโนเมตร) มีอัตราการดูดซับในโลหะสูง และเป็นช่วงความยาวคลื่นที่ใช้กันมากที่สุดในการแปรรูปโลหะ เลเซอร์ของความยาวคลื่นนี้สามารถเจาะลึกเข้าไปในโลหะและมี อัตราการดูดซึมค่อนข้างสูง ทำให้เหมาะสำหรับการแปรรูปแบบลึกและการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูง

ความยาวคลื่นยาว (บริเวณอินฟราเรดไกล):สำหรับเลเซอร์ความยาวคลื่นยาว เช่น เลเซอร์ CO2 (ความยาวคลื่นประมาณ 10.6 ไมครอน) เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นประสิทธิภาพการดูดซับของพลังงานเลเซอร์โดยโลหะมักจะลดลงซึ่งหมายความว่าการสะท้อนของเลเซอร์ความยาวคลื่นยาว (เช่นแสงอินฟราเรดไกล) บนพื้นผิวโลหะจะมีอัตราสูงกว่า และมีอัตราการดูดซึมต่ำกว่า อัตราการดูดซึมในโลหะค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยาวคลื่นของมันใหญ่กว่าอิเล็กตรอนอิสระในเส้นทางอิสระของโลหะมาก ประสิทธิภาพการดูดกลืนแสงในวัสดุโลหะบางชนิดจึงยังคงยอมรับได้ เลเซอร์ความยาวคลื่นยาวส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการประมวลผลวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ แต่ก็มีการใช้งานในการประมวลผลโลหะพิเศษบางอย่างเช่นกัน

รูปด้านล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างการสะท้อน การดูดซับ และความยาวคลื่นของโลหะที่ใช้กันทั่วไปที่อุณหภูมิห้อง ในบริเวณอินฟราเรด ค่าการดูดซับจะลดลง และการสะท้อนแสงจะเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น โลหะส่วนใหญ่จะสะท้อนแสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 10.6um (CO2) อย่างรุนแรง แต่มีการสะท้อนที่อ่อนแอต่อแสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 1.06um (1060nm) วัสดุโลหะมีอัตราการดูดซับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นสูงกว่า เช่น bไฟลื้อและไฟเขียว.

1.3 การดูดซับด้วยเลเซอร์โดยวัสดุโลหะ—อุณหภูมิ

1.3.1 อัตราการดูดซึมของโลหะผสมอลูมิเนียมรูปแบบต่างๆ:

เมื่อวัสดุแข็ง อัตราการดูดซึมของเลเซอร์จะอยู่ที่ประมาณ 5-7%

อัตราการดูดซึมของเหลวถึง 25-35%;

สามารถเข้าถึงมากกว่า 90% ในสถานะรูกุญแจ

1.3.2 อัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ:

อัตราการดูดซึมของวัสดุโลหะที่อุณหภูมิห้องมีขนาดเล็กมาก

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นใกล้กับจุดหลอมเหลว อัตราการดูดซึมจะสูงถึง 40%~60%

หากอุณหภูมิใกล้จุดเดือด อัตราการดูดซึมจะสูงถึง 90%

1.4 การดูดซับด้วยเลเซอร์โดยวัสดุโลหะ—สภาพพื้นผิว

ค่าการดูดซับแบบทั่วไปวัดโดยใช้พื้นผิวโลหะเรียบ ในการใช้งานจริงของการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ มักจะจำเป็นต้องเพิ่มการดูดซับด้วยเลเซอร์ของวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูงบางชนิด (อะลูมิเนียม ทองแดง) เพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนสูงที่นำไปสู่การบัดกรีที่ผิดพลาด

สามารถใช้วิธีการต่อไปนี้: มีการนำกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวที่เหมาะสมมาใช้เพื่อปรับปรุงการสะท้อนแสงของเลเซอร์ ต้นแบบออกซิเดชัน, การพ่นทราย, เลเซอร์ การทำความสะอาดการชุบนิกเกิล การชุบดีบุก การเคลือบกราไฟท์ ฯลฯ ล้วนสามารถปรับปรุงอัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุได้