La interacció entre làser i materials implica molts fenòmens físics i característiques. Els tres articles següents presentaran els tres fenòmens físics clau relacionats amb el procés de soldadura per làser per tal de proporcionar als companys una comprensió més clara de laprocés de soldadura làser: dividit en taxa d'absorció del làser i canvis d'estat, plasma i efecte de pany. Aquesta vegada, actualitzarem la relació entre els canvis d'estat del làser i els materials i la taxa d'absorció.
Canvis d'estat de la matèria provocats per la interacció entre làser i materials
El processament làser de materials metàl·lics es basa principalment en el processament tèrmic d'efectes fototèrmics. Quan s'aplica la irradiació làser a la superfície del material, es produiran diversos canvis a la superfície del material a diferents densitats de potència. Aquests canvis inclouen l'augment de la temperatura superficial, la fusió, la vaporització, la formació de forats i la generació de plasma. A més, els canvis en l'estat físic de la superfície del material afecten molt l'absorció del làser del material. Amb l'augment de la densitat de potència i el temps d'acció, el material metàl·lic experimentarà els següents canvis d'estat:
Quan elpotència làserla densitat és baixa (<10 ^ 4w/cm ^ 2) i el temps d'irradiació és curt, l'energia làser absorbida pel metall només pot fer que la temperatura del material augmenti des de la superfície cap a l'interior, però la fase sòlida es manté sense canvis . S'utilitza principalment per al tractament de recuit de peces i enduriment de transformació de fases, sent la majoria eines, engranatges i coixinets;
Amb l'augment de la densitat de potència del làser (10 ^ 4-10 ^ 6w / cm ^ 2) i la prolongació del temps d'irradiació, la superfície del material es fon gradualment. A mesura que augmenta l'energia d'entrada, la interfície líquid-sòlid es mou gradualment cap a la part profunda del material. Aquest procés físic s'utilitza principalment per a la fundició superficial, aliatge, revestiment i soldadura de conductivitat tèrmica de metalls.
En augmentar encara més la densitat de potència (> 10 ^ 6 w / cm ^ 2) i allargar el temps d'acció del làser, la superfície del material no només es fon, sinó que també es vaporitza, i les substàncies vaporitzades s'agrupen a prop de la superfície del material i s'ionitzen feblement per formar un plasma. Aquest plasma prim ajuda al material a absorbir el làser; Sota la pressió de vaporització i expansió, la superfície líquida es deforma i forma fosses. Aquesta etapa es pot utilitzar per a la soldadura làser, generalment en la soldadura de conductivitat tèrmica d'empalmament de microconnexions dins de 0,5 mm.
En augmentar encara més la densitat de potència (>10 ^ 7w/cm ^ 2) i allargar el temps d'irradiació, la superfície del material experimenta una forta vaporització, formant un plasma amb alt grau d'ionització. Aquest plasma dens té un efecte de blindatge sobre el làser, reduint en gran mesura la densitat d'energia del làser incident al material. Al mateix temps, sota una gran força de reacció de vapor, es formen petits forats, comunament coneguts com a forats de pany, dins del metall fos, l'existència de forats de pany és beneficiosa perquè el material absorbeixi el làser, i aquesta etapa es pot utilitzar per a la fusió profunda del làser. soldadura, tall i perforació, enduriment per impacte, etc.
En diferents condicions, diferents longituds d'ona d'irradiació làser sobre diferents materials metàl·lics donaran lloc a valors específics de densitat de potència a cada etapa.
Pel que fa a l'absorció del làser pels materials, la vaporització dels materials és un límit. Quan el material no pateix vaporització, ja sigui en fase sòlida o líquida, la seva absorció de làser només canvia lentament amb l'augment de la temperatura superficial; Una vegada que el material es vaporitzi i forma plasma i forats de clau, l'absorció del làser del material canviarà de sobte.
Com es mostra a la figura 2, la taxa d'absorció del làser a la superfície del material durant la soldadura làser varia amb la densitat de potència del làser i la temperatura de la superfície del material. Quan el material no es fon, la taxa d'absorció del material al làser augmenta lentament amb l'augment de la temperatura de la superfície del material. Quan la densitat de potència és superior a (10 ^ 6 w/cm ^ 2), el material es vaporitza violentament, formant un forat de pany. El làser entra al forat de la clau per a múltiples reflexions i absorció, donant lloc a un augment significatiu de la taxa d'absorció del material al làser i un augment significatiu de la profunditat de fusió.
Absorció de làser per materials metàl·lics – Longitud d'ona
La figura anterior mostra la corba de relació entre la reflectivitat, l'absorbància i la longitud d'ona dels metalls d'ús habitual a temperatura ambient. A la regió infraroja, la taxa d'absorció disminueix i la reflectivitat augmenta amb l'augment de la longitud d'ona. La majoria dels metalls reflecteixen fortament la llum infraroja de longitud d'ona de 10,6 um (CO2) mentre que reflecteixen feblement la llum infraroja de longitud d'ona de 1,06 um (1060 nm). Els materials metàl·lics tenen taxes d'absorció més altes per als làsers de longitud d'ona curta, com ara la llum blava i verda.
Absorció de làser per materials metàl·lics: temperatura del material i densitat d'energia del làser
Prenent com a exemple l'aliatge d'alumini, quan el material és sòlid, la taxa d'absorció del làser és al voltant del 5-7%, la taxa d'absorció de líquids és de fins a un 25-35% i pot arribar a superar el 90% en estat de forat.
La taxa d'absorció del material al làser augmenta amb l'augment de la temperatura. La taxa d'absorció dels materials metàl·lics a temperatura ambient és molt baixa. Quan la temperatura puja a prop del punt de fusió, la seva taxa d'absorció pot arribar al 40% ~ 60%. Si la temperatura s'aproxima al punt d'ebullició, la seva taxa d'absorció pot arribar al 90%.
Absorció de làser per materials metàl·lics - Estat de la superfície
La taxa d'absorció convencional es mesura mitjançant una superfície metàl·lica llisa, però en aplicacions pràctiques d'escalfament làser, sol ser necessari augmentar la taxa d'absorció de certs materials d'alta reflexió (alumini, coure) per evitar la soldadura falsa causada per alta reflexió;
Es poden utilitzar els mètodes següents:
1. L'adopció de processos adequats de pretractament de superfícies per millorar la reflectivitat del làser: oxidació de prototips, sorra, neteja per làser, niquelat, estanyat, recobriment de grafit, etc. poden millorar la taxa d'absorció del làser del material;
El nucli és augmentar la rugositat de la superfície del material (que és propici per a múltiples reflexions làser i absorció), així com augmentar el material de recobriment amb una alta taxa d'absorció. Mitjançant l'absorció de l'energia del làser i la fusió i la volatilització mitjançant materials d'alta taxa d'absorció, la calor del làser es transmet al material base per millorar la taxa d'absorció del material i reduir la soldadura virtual causada pel fenomen d'alta reflexió.
Hora de publicació: 23-nov-2023
