Lazer ve malzemeler arasındaki etkileşim birçok fiziksel olayı ve özelliği içerir. Sonraki üç makale, meslektaşların lazer kaynak işlemiyle ilgili daha net bir anlayışa sahip olmasını sağlamak için lazer kaynak işlemiyle ilgili üç temel fiziksel olguyu tanıtacaktır.lazer kaynak işlemi: Lazer soğurma hızına ve durum değişiklikleri, plazma ve anahtar deliği etkisine bölünmüştür. Bu kez lazerin ve malzemelerin durumundaki değişiklikler ile emilim hızı arasındaki ilişkiyi güncelleyeceğiz.
Lazer ve malzeme arasındaki etkileşimin neden olduğu maddenin durumundaki değişiklikler
Metal malzemelerin lazerle işlenmesi esas olarak fototermal etkilerin termal işlenmesine dayanmaktadır. Malzeme yüzeyine lazer ışınımı uygulandığında, malzemenin yüzey alanında farklı güç yoğunluklarında çeşitli değişiklikler meydana gelecektir. Bu değişiklikler yüzey sıcaklığının yükselmesini, erimeyi, buharlaşmayı, anahtar deliği oluşumunu ve plazma oluşumunu içerir. Ayrıca malzeme yüzey alanının fiziksel durumundaki değişiklikler malzemenin lazer emilimini büyük ölçüde etkiler. Güç yoğunluğunun ve hareket süresinin artmasıyla metal malzeme aşağıdaki durum değişikliklerine uğrayacaktır:
ne zamanlazer gücüyoğunluk düşük (<10 ^ 4w/cm ^ 2) ve ışınlama süresi kısa olduğundan, metal tarafından emilen lazer enerjisi yalnızca malzemenin sıcaklığının yüzeyden içeriye doğru yükselmesine neden olabilir, ancak katı faz değişmeden kalır . Çoğunlukla takımlar, dişliler ve rulmanlar olmak üzere parça tavlama ve faz dönüşümü sertleştirme işlemi için kullanılır;
Lazer güç yoğunluğunun artması (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) ve ışınlama süresinin uzamasıyla birlikte malzemenin yüzeyi yavaş yavaş erir. Giriş enerjisi arttıkça sıvı-katı arayüzü yavaş yavaş malzemenin derin kısmına doğru hareket eder. Bu fiziksel işlem esas olarak metallerin yüzey yeniden eritilmesi, alaşımlanması, kaplanması ve termal iletkenlik kaynağı için kullanılır.
Güç yoğunluğunun daha da arttırılması (>10 ^ 6w/cm^2) ve lazer etki süresinin uzatılmasıyla, malzeme yüzeyi sadece erimekle kalmaz aynı zamanda buharlaşır ve buharlaşan maddeler malzeme yüzeyinin yakınında toplanır ve bir plazma oluşturmak üzere zayıf bir şekilde iyonize olur. 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 iletkenlik kaynağında kullanılabilir.
Güç yoğunluğunun daha da arttırılması (>10 ^ 7w/cm ^ 2) ve ışınlama süresinin uzatılmasıyla, malzeme yüzeyi güçlü bir buharlaşmaya maruz kalır ve yüksek iyonlaşma derecesine sahip bir plazma oluşur. Bu yoğun plazma, lazer üzerinde koruyucu bir etkiye sahiptir ve malzemeye gelen lazerin enerji yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır. Aynı zamanda, büyük bir buhar reaksiyon kuvveti altında, erimiş metalin içinde genellikle anahtar delikleri olarak bilinen küçük delikler oluşur. Anahtar deliklerinin varlığı, malzemenin lazeri absorbe etmesi açısından faydalıdır ve bu aşama, lazerin derin füzyonu için kullanılabilir. kaynak, kesme ve delme, darbeyle sertleştirme vb.
Farklı koşullar altında, farklı metal malzemeler üzerindeki farklı dalga boylarındaki lazer ışınımı, her aşamada belirli güç yoğunluğu değerleri ile sonuçlanacaktır.
Lazerin malzemeler tarafından emilmesi açısından malzemelerin buharlaşması bir sınırdır. Malzeme katı veya sıvı fazda buharlaşmaya maruz kalmadığında, lazer emilimi yalnızca yüzey sıcaklığının artmasıyla yavaş yavaş değişir; Malzeme buharlaşıp plazma ve anahtar delikleri oluşturduğunda, malzemenin lazer emilimi aniden değişecektir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, lazer kaynağı sırasında lazerin malzeme yüzeyindeki soğurma oranı, lazer güç yoğunluğuna ve malzeme yüzey sıcaklığına göre değişmektedir. Malzeme erimediğinde malzemenin yüzey sıcaklığının artmasıyla birlikte malzemenin lazer tarafından emilme oranı yavaş yavaş artar. Güç yoğunluğu (10 ^ 6w/cm^2)'den büyük olduğunda, malzeme şiddetli bir şekilde buharlaşarak bir anahtar deliği oluşturur. Lazer, çoklu yansıma ve emilim için anahtar deliğine girerek malzemenin lazere emilim oranında önemli bir artışa ve erime derinliğinde önemli bir artışa neden olur.
Lazerin Metal Malzemeler Tarafından Emilimi – Dalga Boyu
Yukarıdaki şekil oda sıcaklığında yaygın olarak kullanılan metallerin yansıtma, absorbans ve dalga boyu arasındaki ilişki eğrisini göstermektedir. Kızılötesi bölgede dalga boyunun artmasıyla soğurma oranı azalmakta, yansıtma oranı ise artmaktadır. Çoğu metal, 10,6um (CO2) dalga boyundaki kızılötesi ışığı güçlü bir şekilde yansıtırken, 1,06um (1060nm) dalga boyundaki kızılötesi ışığı zayıf bir şekilde yansıtır. Metal malzemeler, mavi ve yeşil ışık gibi kısa dalga boylu lazerler için daha yüksek soğurma oranlarına sahiptir.
Lazerin Metal Malzemeler Tarafından Emilimi – Malzeme Sıcaklığı ve Lazer Enerji Yoğunluğu
Alüminyum alaşımını örnek alırsak, malzeme katı olduğunda lazer emme oranı %5-7 civarında, sıvı emme oranı %25-35'e kadar çıkar ve anahtar deliği durumunda %90'ın üzerine çıkabilir.
Malzemenin lazer tarafından absorbe edilme oranı sıcaklığın artmasıyla artar. Metal malzemelerin oda sıcaklığında emilim oranı çok düşüktür. Sıcaklık erime noktasına yaklaştığında emilim oranı %40~%60'a ulaşabilir. Sıcaklık kaynama noktasına yakınsa emilim oranı %90'a kadar çıkabilir.
Lazerin Metal Malzemeler Tarafından Emilimi – Yüzey Durumu
Geleneksel soğurma oranı, pürüzsüz bir metal yüzey kullanılarak ölçülür, ancak lazerle ısıtmanın pratik uygulamalarında, yüksek yansımanın neden olduğu hatalı lehimlemeyi önlemek için genellikle bazı yüksek yansıtıcı malzemelerin (alüminyum, bakır) emme oranının arttırılması gerekir;
Aşağıdaki yöntemler kullanılabilir:
1. Lazerin yansıtıcılığını artırmak için uygun yüzey ön işleme proseslerinin benimsenmesi: prototip oksidasyonu, kumlama, lazer temizleme, nikel kaplama, kalay kaplama, grafit kaplama vb. hepsi malzemenin lazer emilim oranını artırabilir;
Çekirdek, malzeme yüzeyinin pürüzlülüğünü (birden fazla lazer yansımasına ve emilimine elverişli olan) arttırmak ve aynı zamanda yüksek emme oranına sahip kaplama malzemesini arttırmaktır. Lazer enerjisini emerek ve onu yüksek emme oranlı malzemeler aracılığıyla eritip buharlaştırarak, lazer ısısı, malzeme emme oranını artırmak ve yüksek yansıma olgusunun neden olduğu sanal kaynağı azaltmak için temel malzemeye iletilir.
Gönderim zamanı: 23 Kasım 2023
