Metal malzemelerin lazer emilim oranı

1.1 Lazer ve malzemeler arasındaki etkileşimin neden olduğu fiziksel durumdaki değişiklikler

Metalik malzemelerin lazerle işlenmesi esas olarak fototermal etkilere dayalı bir termal işlemdir. Lazer malzemenin yüzeyine ışın verdiğinde, farklı güç yoğunlukları altında yüzey alanında çeşitli farklı değişiklikler meydana gelecektir. Bu değişiklikler şunları içerir:

Erime: Bir malzeme lazer enerjisini emdiğinde sıcaklığı yükselir, muhtemelen erime noktasına ulaşır ve malzemenin katıdan sıvıya geçişine neden olur. Bu süreç aşağıdaki gibi teknolojilerde yaygın olarak kullanılmaktadır: Lazer kaynak, lazer kaplamave lazer hızlı prototipleme.

Buharlaşma ve Süblimleşme: Lazerin yoğunluğu, malzeme sıcaklığını hızla kaynama noktasının üzerine çıkaracak kadar yüksekse, malzeme doğrudan katı veya sıvı durumdan gaz durumuna geçecektir. Bu işlem lazer kesim, lazer delme, lazer buharlaştırma gibi teknolojilerde kullanılmaktadır.

Katılaşma: Malzemenin lazerle ısıtıldıktan sonra sıvı halden katı duruma dönmesi işlemine katılaşma denir. Bu süreç, lazer üretim sürecinde, özellikle lazer lehimleme ve 3D baskı teknolojilerinde yaygındır.

Tavlama: Lazer ısıtmayla malzemenin iç gerilimi yeniden dağıtılabilir, böylece iç gerilimi azaltma ve malzeme performansını iyileştirme amacına ulaşılabilir. Bu işlem faz değişimine eşlik etmez ancak kristal yapının yeniden düzenlenmesine ve malzeme özelliklerinin değişmesine neden olur.

Faz Dönüşümü Sertleşmesi: Bazı malzemeler (çelik gibi) soğutma işlemi sırasında yüzey merkezli kübik yapıdan (östenit) vücut merkezli kübik yapıya (martensit) geçiş yaparak faz geçişlerine uğrayacaktır. Bu dönüşüm malzemenin sertliğini ve mukavemetini önemli ölçüde artırır. Lazerle söndürme, malzeme yüzeyinin veya lokalize alanların sertleşmesini sağlamak için lazer ısıtma ve soğutma sürecini kontrol ederek bu prensibi kullanır.

Fotokimyasal Reaksiyon: Lazer ışınlaması malzemelerde fotokimyasal reaksiyonları da tetikleyebilir. Bu reaksiyonlar yalnızca fiziksel süreçleri (fotoliz, foto polimerizasyon gibi) değil aynı zamanda malzeme özelliklerini temelden değiştirebilen kimyasal süreçleri de içerir. Bu prensip fotolitografi ve malzeme yüzey modifikasyonu gibi alanlarda kullanılır.

Fotokromizm: Bazı malzemeler lazer ışınımı altında fotokromik reaksiyonlara, yani malzemenin renginde bir değişikliğe uğrar. Bu değişim, ışık enerjisini emdikten sonra malzemenin elektronik yapısında meydana gelen değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Bu teknolojinin veri depolama ve görüntüleme teknolojisi gibi alanlarda potansiyel uygulama değeri vardır.

İlgili etki mekanizması aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

1. Lazer güç yoğunluğu düşük olduğunda (<10^4w/cm^2) ve ışınlama süresi kısa olduğundan, metal tarafından emilen lazer enerjisi yalnızca malzemenin sıcaklığının yüzeyden içeriye doğru artmasına neden olabilir, ancak katı faz değişmeden kalır. Çoğunlukla kesici takımlar, dişliler ve rulmanlar olmak üzere parçaların tavlanması ve faz değişimiyle sertleştirilmesi için kullanılır.
   
2. Lazer güç yoğunluğu arttıkça (10^4~10^6w/cm^2) ve ışınlama süresi uzadıkçamalzemenin yüzey tabakası yavaş yavaş erir. Giriş enerjisi arttıkça sıvı-katı faz arayüzü kademeli olarak malzemenin derinliğine doğru hareket eder. Bu fiziksel işlem esas olarak metallerin yüzey yeniden eritilmesi, alaşımlanması, kaplanması ve ısıl iletkenlik kaynağı için kullanılır.
3. Güç yoğunluğunu daha da artırın (>10^6w/cm^2) ve lazer eylem süresini uzatın. Malzemenin yüzeyi sadece erimekle kalmaz aynı zamanda buharlaşır. Buharlar malzemenin yüzeyine yakın bir yerde toplanır ve zayıf bir şekilde iyonlaşarak plazma oluşturur. Bu ince plazma, malzemenin lazeri emmesine yardımcı olur; Buharlaşma ve genleşme basıncı altında sıvı yüzeyi deforme olur ve çukurlar oluşturur. Bu aşama lazer kaynağı için, genellikle 0.5 mm dahilindeki mikro bağlantıların termal iletken kaynağı için kullanılabilir.
4. Güç yoğunluğu daha da artırılırsa (>10^7w/cm^2) ve ışınlama süresi uzatıldığında, malzemenin yüzeyi daha yüksek iyonlaşma derecesine sahip bir plazma oluşturacak şekilde güçlü bir şekilde buharlaşacaktır. Bu yoğun plazma, lazer üzerinde koruyucu bir etkiye sahiptir ve malzemeye gelen lazerin enerji yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır. Aynı zamanda, büyük buhar reaksiyon kuvveti altında, erimiş metalin içinde genellikle anahtar deliği adı verilen küçük bir delik oluşur. Anahtar deliğinin varlığı, malzemenin lazeri emmesine yardımcı olur. Bu aşama kullanılabilir. Lazerle derin kaynak, kesme ve delme, darbeli sertleştirme vb. için uygundur.
   
   

Farklı koşullar altında, farklı dalga boylarındaki lazerler farklı metal malzemeleri ışınladığında, her aşamada güç yoğunluğunun spesifik değerlerinde belirli farklılıklar olacaktır. Lazerin malzeme soğurması açısından malzemenin buharlaşması bir ayrım çizgisidir. Malzeme buharlaşmadığında, ister katı fazda ister sıvı fazda olsun, lazer emilimi yalnızca yüzey sıcaklığının artmasıyla yavaş yavaş değişir; Malzeme buharlaşıp plazma ve anahtar deliği oluşturduğunda, malzemenin lazer emilimi aniden değişecektir.

Aşağıdaki şekil, malzeme yüzeyinin lazer emilim oranının nasıl olduğunu göstermektedir. lazer kaynak lazer güç yoğunluğuna ve malzeme yüzey sıcaklığına göre değişir. Malzeme eritilmediğinde malzemenin yüzey sıcaklığı arttıkça malzemenin lazer emme hızı yavaş yavaş artar. Güç yoğunluğu (10^6w/cm2)'den büyük olduğunda malzeme şiddetli bir şekilde buharlaşarak bir anahtar deliği oluşturur ve lazer anahtar deliğinden girerek birçok kez yansıtılır. Emilim, malzemenin lazerin emilim oranının önemli ölçüde artmasına neden olur ve nüfuz derinliği önemli ölçüde artar.

1.2 Lazerin metal malzemeler tarafından emilmesi - dalga boyu

Lazer emme mekanizması:
Lazerin metaller tarafından emilmesi esas olarak serbest elektronların hareketi yoluyla sağlanır. Lazer metal yüzeye parladığında, elektromanyetik alanı metaldeki serbest elektronları titreştirir. Bu titreşim enerjisi daha sonra ısı şeklinde metalik kafes yapısına aktarılır ve böylece malzeme ısıtılır. Metallerin bu emme özelliği, onları lazer işleme için mükemmel malzemeler haline getirir.

Dalga boyunun etkisi
Kısa dalga boyu (UV'den görünür ışık bölgesine):Metaller genellikle kısa dalga boyu aralığındaki kısa dalga boyundaki lazeri daha kolay emer. Bunun nedeni, metaldeki serbest elektronların, kısa dalga boyundaki ışığın elektromanyetik alanıyla etkili bir şekilde etkileşime girebilmesi, enerjinin ışık dalgasından metale aktarılmasına neden olarak termal bir etki yaratmasıdır. Kısa dalga boylu lazerler, daha yüksek konumlandırma doğruluğu ve daha küçük odak çapları elde edebilir, bu da onları hassas işleme için uygun hale getirir.

Orta dalga boyu (kızılötesine yakın bölge):Fiber lazerler (dalga boyu yaklaşık 1064 nanometre) gibi yakın kızılötesi bölgedeki lazerler, metallerde yüksek soğurma oranlarına sahiptir ve metal işlemede en yaygın kullanılan dalga boyu aralığıdır. Bu dalga boyundaki lazer, metalin derinliklerine nüfuz edebilir ve metalin derinliklerine nüfuz edebilir. Nispeten yüksek bir emme oranı, onu derin işleme ve yüksek verimli işleme için uygun hale getirir.

Uzun dalga boyu (uzak kızılötesi bölge):Uzun dalga boylu lazerler için, örneğin CO2 lazerler (dalga boyu yaklaşık 10.6 mikrondur), dalga boyu arttıkça lazer enerjisinin metaller tarafından soğurma verimliliği genellikle azalır, bu da uzun dalga boylu lazerlerin (uzak kızılötesi ışık gibi) metal yüzeye yansıması anlamına gelir. Oran daha yüksektir ve emilim oranı daha düşüktür. Metallerde emilim oranı nispeten düşüktür. Bununla birlikte, dalga boyu, serbest elektronun metallerin ortalama serbest yolundan çok daha büyük olduğundan, bazı spesifik metalik malzemelerdeki absorpsiyon verimliliği hala kabul edilebilir düzeydedir. Uzun dalga boylu lazerler öncelikle metalik olmayan malzemelerin işlenmesinde kullanılır, ancak bazı özel metal işleme uygulamalarında da kullanımları vardır.

Aşağıdaki şekil, yaygın olarak kullanılan metallerin oda sıcaklığında yansıma, soğurma ve dalga boyu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Kızılötesi bölgede, dalga boyu arttıkça emicilik azalır ve yansıtma artar. Çoğu metal, 10.6um (CO2) dalga boyundaki kızılötesi ışığı güçlü bir şekilde yansıtır, ancak 1.06um (1060nm) dalga boyundaki kızılötesi ışıkta zayıf yansımalara sahiptir. Metal malzemeler kısa dalga boylu lazerler için daha yüksek soğurma oranlarına sahiptir;lue ışık ve yeşil ışık.

1.3 Metal malzemelerin lazer emilimi - sıcaklık

1.3.1 Farklı alüminyum alaşım formlarının soğurma oranları:

Malzeme katı olduğunda lazer emme oranı yaklaşık %5-7'dir;

Sıvı emme oranı %25-35'e kadar;

Anahtar deliği durumunda %90'dan fazlasına ulaşabilir.

1.3.2 Malzemelerin lazer soğurma oranı sıcaklıkla birlikte artar:

Metalik malzemelerin oda sıcaklığındaki emilim oranları çok küçüktür;

Sıcaklık erime noktasına yaklaştığında emilim oranı %40~%60'a ulaşabilir;

Sıcaklık kaynama noktasına yakınsa emilim oranı %90'a kadar çıkar.

1.4 Metal malzemelerin lazer emilimi – yüzey koşulları

Geleneksel emicilik, pürüzsüz bir metal yüzey kullanılarak ölçülür. Lazer ısıtmanın pratik uygulamalarında, hatalı lehimlemeye yol açan yüksek yansımayı önlemek için genellikle bazı yüksek yansıtıcı malzemelerin (alüminyum, bakır) lazer emiciliğinin arttırılması gerekir;

Aşağıdaki yöntemler kullanılabilir: Lazerin yansıtıcılığını geliştirmek için uygun yüzey ön işleme süreçleri benimsenir. Prototip oksidasyonu, kumlama, lazer Deri kılıfların temizlenmesini, nikel kaplama, kalay kaplama, grafit kaplama vb. malzemenin lazer emilim oranını artırabilir.