Швидкість лазерного поглинання металевих матеріалів Україна

1.1 Зміни агрегатного стану, викликані взаємодією між лазером і матеріалами

Лазерна обробка металевих матеріалів - це переважно термічна обробка, заснована на фототермічних ефектах. Коли лазер опромінює поверхню матеріалу, у площі поверхні відбуваються різноманітні зміни за різних щільностей потужності. Ці зміни включають:

Плавлення: коли матеріал поглинає енергію лазера, його температура підвищується, можливо, досягаючи точки плавлення, що призводить до переходу матеріалу з твердого стану в рідкий. Цей процес широко використовується в таких технологіях, як зварювання лазером, лазерне облицюванняі лазерне швидке прототипування.

Випаровування та сублімація: якщо інтенсивність лазера достатньо висока, щоб швидко підвищити температуру матеріалу вище температури кипіння, матеріал безпосередньо перейде з твердого або рідкого стану в газоподібний. Цей процес використовується в таких технологіях, як лазерне різання, лазерне свердління та лазерне випаровування.

Затвердіння: Процес повернення матеріалу з рідкого стану в твердий стан після лазерного нагрівання називається затвердінням. Цей процес поширений у процесі лазерного виробництва, особливо в технологіях лазерної пайки та 3D-друку.

Відпал: за допомогою лазерного нагрівання внутрішню напругу матеріалу можна перерозподілити, таким чином досягаючи мети зменшення внутрішньої напруги та покращення характеристик матеріалу. Цей процес не супроводжує фазовий перехід, але спричинить перебудову кристалічної структури та зміни властивостей матеріалу.

Фазове зміцнення: певні матеріали (такі як сталь) зазнають фазових переходів під час процесу охолодження, переходячи від гранецентричної кубічної структури (аустеніт) до об’ємноцентричної кубічної структури (мартенсит). Таке перетворення значно підвищує твердість і міцність матеріалу. Лазерне гартування використовує цей принцип, керуючи процесом лазерного нагріву та охолодження, щоб досягти зміцнення поверхні матеріалу або локалізованих ділянок.

Фотохімічна реакція: лазерне опромінення також може викликати фотохімічні реакції в матеріалах. Ці реакції включають не лише фізичні процеси (такі як фотоліз, фотополімеризація), а й хімічні процеси, які можуть кардинально змінити властивості матеріалу. Цей принцип використовується в таких сферах, як фотолітографія та модифікація поверхні матеріалу.

Фотохромізм: деякі матеріали зазнають фотохромних реакцій під впливом лазерного опромінення, тобто змінюють колір матеріалу. Ця зміна викликана змінами електронної структури матеріалу після поглинання енергії світла. Ця технологія має потенційну цінність застосування в таких сферах, як зберігання даних і технології відображення.

Відповідний механізм дії показаний на малюнку нижче:

1. Коли щільність потужності лазера низька (<10^4 Вт/см^2) а час опромінення короткий, лазерна енергія, поглинена металом, може лише викликати підвищення температури матеріалу від поверхні досередини, але тверда фаза залишається незмінною. В основному використовується для відпалу та фазового зміцнення деталей, переважно ріжучих інструментів, шестерень і підшипників.
   
2. Зі збільшенням щільності потужності лазера (10^4~10^6 Вт/см^2) і подовженням часу опромінення, поверхневий шар матеріалу поступово плавиться. У міру збільшення вхідної енергії межа розділу рідина-тверда фаза поступово переміщується вглиб матеріалу. Цей фізичний процес в основному використовується для поверхневого переплавлення, легування, наплавлення та теплопровідного зварювання металів.
3. Далі збільште щільність потужності (>10^6 Вт/см^2) і подовжте час дії лазера. Поверхня матеріалу не тільки плавиться, але і випаровується. Пари збираються біля поверхні матеріалу і слабо іонізуються, утворюючи плазму. Ця тонка плазма допомагає матеріалу поглинати лазер; під тиском випаровування і розширення поверхня рідини деформується і утворює ямки. Цей етап можна використовувати для лазерного зварювання, як правило, для теплопровідного зварювання мікроз’єднань у межах 0.5 мм.
4. Якщо щільність потужності буде додатково збільшена (>10^7 Вт/см^2) і час опромінення подовжується, поверхня матеріалу буде сильно випаровуватися з утворенням плазми з вищим ступенем іонізації. Ця щільна плазма має екрануючий ефект для лазера, що значно зменшує щільність енергії лазера, що падає на матеріал. У той же час під дією великої сили реакції пари всередині розплавленого металу утворюється невеликий отвір, який зазвичай називають замковою щілиною. Наявність замкової щілини сприяє поглинанню лазера матеріалом. Цей етап можна використовувати для лазерного глибокого зварювання, різання та свердління, ударного зміцнення тощо.
   
   

За різних умов, коли лазери з різною довжиною хвилі опромінюють різні металеві матеріали, будуть певні відмінності в конкретних значеннях щільності потужності на кожному етапі. З точки зору поглинання лазера матеріалом, випаровування матеріалу є розділовою лінією. Коли матеріал не випаровується, будь він у твердій або рідкій фазі, його поглинання лазера змінюється лише повільно зі збільшенням температури поверхні; як тільки матеріал випаровується і утворює плазму та замкову щілину, поглинання лазера матеріалом, поглинання раптово зміниться.

На малюнку нижче показано, як змінюється швидкість поглинання лазера поверхнею матеріалу лазер зварювання змінюється разом із щільністю потужності лазера та температурою поверхні матеріалу. Коли матеріал не розплавлений, швидкість поглинання лазера матеріалом повільно зростає зі збільшенням температури поверхні матеріалу. Коли щільність потужності перевищує (10^6 Вт/см2), матеріал інтенсивно випаровується, утворюючи замкову щілину, і лазер потрапляє в замкову щілину та багаторазово відбивається. Поглинання призводить до того, що швидкість поглинання лазера матеріалом різко зростає, а глибина проникнення значно збільшується.

1.2 Поглинання лазера металевими матеріалами — довжина хвилі

Механізм поглинання лазера:
Поглинання лазера металами в основному досягається за рахунок руху вільних електронів. Коли лазер світить на поверхню металу, його електромагнітне поле спонукає вільні електрони в металі вібрувати. Потім ця вібраційна енергія передається у формі тепла до металевої решітки, тим самим нагріваючи матеріал. Ця характеристика поглинання металів робить їх чудовими матеріалами для лазерної обробки.

Вплив довжини хвилі
Коротка довжина хвилі (від УФ до видимого світла):Метали зазвичай легше поглинають короткохвильовий лазер у короткохвильовому діапазоні. Це пояснюється тим, що вільні електрони в металі можуть ефективно взаємодіяти з електромагнітним полем короткохвильового світла, спричиняючи передачу енергії від світлової хвилі до металу, створюючи тепловий ефект. Короткохвильові лазери можуть досягти вищої точності позиціонування та менших діаметрів фокусу, що робить їх придатними для тонкої обробки.

Середня довжина хвилі (ближня інфрачервона область): Лазери в ближньому інфрачервоному діапазоні, такі як волоконні лазери (довжина хвилі приблизно 1064 нанометри), мають високі показники поглинання в металах і є найпоширенішим діапазоном довжин хвиль при обробці металу. Лазер із такою довжиною хвилі може проникати глибоко в метал і має відносно висока швидкість поглинання, що робить його придатним для глибокої обробки та високоефективної обробки.

Довга хвиля (далека інфрачервона область): Для довгохвильових лазерів, таких як CO2 -лазери (довжина хвилі становить близько 10.6 мкм), із збільшенням довжини хвилі ефективність поглинання лазерної енергії металами зазвичай зменшується, що означає, що відбиття довгохвильових лазерів (наприклад, дальнього інфрачервоного світла) на поверхні металу вище. і швидкість поглинання нижча. Швидкість поглинання в металах відносно низька. Тим не менш, оскільки його довжина хвилі набагато більша за довжину вільного пробігу вільного електрона металів, його ефективність поглинання в деяких конкретних металевих матеріалах все ще прийнятна. Довгохвильові лазери в основному використовуються для обробки неметалічних матеріалів, але вони також застосовуються в деяких спеціальних застосуваннях обробки металів.

На малюнку нижче показано співвідношення між коефіцієнтом відображення, поглинальною здатністю та довжиною хвилі металів, які зазвичай використовуються при кімнатній температурі. В інфрачервоному діапазоні коефіцієнт поглинання зменшується, а коефіцієнт відбиття збільшується зі збільшенням довжини хвилі. Більшість металів сильно відбивають інфрачервоне світло з довжиною хвилі 10.6 мкм (CO2), але мають слабкі відбиття інфрачервоного світла з довжиною хвилі 1.06 мкм (1060 нм). Металеві матеріали мають вищі показники поглинання для короткохвильових лазерів, таких як blue світло і зелене світло.

1.3 Поглинання лазера металевими матеріалами — температура

1.3.1 Швидкості поглинання різних форм алюмінієвих сплавів:

Коли матеріал твердий, швидкість лазерного поглинання становить близько 5-7%;

Швидкість поглинання рідини до 25-35%;

Він може досягати більше 90% у стані замкової щілини.

1.3.2 Швидкість лазерного поглинання матеріалів зростає з температурою:

Швидкість поглинання металевих матеріалів при кімнатній температурі дуже мала;

Коли температура піднімається близько до точки плавлення, його швидкість поглинання може досягати 40% ~ 60%;

Якщо температура близька до точки кипіння, швидкість поглинання досягає 90%.

1.4 Поглинання лазера металевими матеріалами — умови поверхні

Звичайний коефіцієнт поглинання вимірюється за допомогою гладкої металевої поверхні. У практичних застосуваннях лазерного нагрівання зазвичай необхідно підвищити коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання певних матеріалів з високою відбивною здатністю (алюміній, мідь), щоб уникнути високого відбиття, що призводить до помилкового паяння；

Можна використовувати наступні методи: Для покращення відбивної здатності лазера застосовуються відповідні процеси попередньої обробки поверхні. Окислення прототипу, піскоструминна обробка, лазер очистканікелювання, лудіння, графітове покриття тощо можуть покращити швидкість лазерного поглинання матеріалу.