Die Wechselwirkung zwischen Laser und Materialien beinhaltet viele physikalische Phänomene und Eigenschaften. In den nächsten drei Artikeln werden die drei wichtigsten physikalischen Phänomene im Zusammenhang mit dem Laserschweißprozess vorgestellt, um den Kollegen ein klareres Verständnis davon zu vermittelnLaserschweißverfahren: unterteilt in Laserabsorptionsrate und Zustandsänderungen, Plasma und Schlüssellocheffekt. Dieses Mal werden wir die Beziehung zwischen Änderungen im Laser- und Materialzustand und der Absorptionsrate aktualisieren.
Zustandsänderungen der Materie, die durch die Wechselwirkung zwischen Laser und Materialien verursacht werden
Die Laserbearbeitung von Metallwerkstoffen basiert hauptsächlich auf der thermischen Bearbeitung photothermischer Effekte. Wenn Laserstrahlung auf die Materialoberfläche angewendet wird, treten bei unterschiedlichen Leistungsdichten verschiedene Veränderungen in der Oberfläche des Materials auf. Zu diesen Veränderungen gehören der Anstieg der Oberflächentemperatur, Schmelzen, Verdampfen, Schlüssellochbildung und Plasmaerzeugung. Darüber hinaus haben Änderungen im physikalischen Zustand der Materialoberfläche großen Einfluss auf die Laserabsorption des Materials. Mit zunehmender Leistungsdichte und Einwirkzeit erfährt das Metallmaterial folgende Zustandsänderungen:
Wenn dieLaserleistungBei geringer Dichte (<10 ^ 4 W/cm ^ 2) und kurzer Bestrahlungszeit kann die vom Metall absorbierte Laserenergie nur dazu führen, dass die Temperatur des Materials von der Oberfläche nach innen ansteigt, die feste Phase bleibt jedoch unverändert . Es wird hauptsächlich zum Glühen von Teilen und zur Phasenumwandlungshärtungsbehandlung verwendet, wobei Werkzeuge, Zahnräder und Lager den Großteil ausmachen.
Mit der Erhöhung der Laserleistungsdichte (10 ^ 4-10 ^ 6 W/cm ^ 2) und der Verlängerung der Bestrahlungszeit schmilzt die Oberfläche des Materials allmählich. Mit zunehmender Eingangsenergie verschiebt sich die Flüssigkeits-Feststoff-Grenzfläche allmählich in Richtung des tieferen Teils des Materials. Dieser physikalische Prozess wird hauptsächlich zum Oberflächenumschmelzen, Legieren, Plattieren und Wärmeleitschweißen von Metallen verwendet.
Durch eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte (>10 ^ 6 W/cm ^ 2) und eine Verlängerung der Lasereinwirkungszeit schmilzt die Materialoberfläche nicht nur, sondern verdampft auch, und die verdampften Substanzen sammeln sich in der Nähe der Materialoberfläche und ionisieren schwach, um ein Plasma zu bilden. Dieses dünne Plasma hilft dem Material, den Laser zu absorbieren; Unter dem Verdampfungs- und Expansionsdruck verformt sich die Flüssigkeitsoberfläche und bildet Grübchen. Diese Stufe kann zum Laserschweißen verwendet werden, normalerweise beim Spleiß-Wärmeleitfähigkeitsschweißen von Mikroverbindungen innerhalb von 0,5 mm.
Durch eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte (>10 ^ 7 W/cm ^ 2) und eine Verlängerung der Bestrahlungszeit kommt es zu einer starken Verdampfung der Materialoberfläche, wodurch ein Plasma mit hohem Ionisierungsgrad entsteht. Dieses dichte Plasma hat eine abschirmende Wirkung auf den Laser und reduziert die Energiedichte des in das Material einfallenden Lasers erheblich. Gleichzeitig bilden sich unter einer großen Dampfreaktionskraft kleine Löcher, allgemein bekannt als Schlüssellöcher, im geschmolzenen Metall. Das Vorhandensein von Schlüssellöchern ist für die Laserabsorption des Materials von Vorteil, und diese Stufe kann für die Lasertiefenfusion genutzt werden Schweißen, Schneiden und Bohren, Schlaghärten usw.
Unter unterschiedlichen Bedingungen führen unterschiedliche Wellenlängen der Laserbestrahlung auf unterschiedliche Metallmaterialien zu spezifischen Werten der Leistungsdichte in jeder Phase.
Hinsichtlich der Laserabsorption durch Materialien ist die Verdampfung von Materialien eine Grenze. Wenn das Material weder in der festen noch in der flüssigen Phase verdampft, ändert sich seine Laserabsorption nur langsam mit der Erhöhung der Oberflächentemperatur. Sobald das Material verdampft und Plasma und Schlüssellöcher bildet, ändert sich plötzlich die Laserabsorption des Materials.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, variiert die Absorptionsrate des Lasers auf der Materialoberfläche beim Laserschweißen mit der Laserleistungsdichte und der Temperatur der Materialoberfläche. Wenn das Material nicht geschmolzen ist, erhöht sich die Absorptionsrate des Materials für den Laser langsam mit der Erhöhung der Materialoberflächentemperatur. Wenn die Leistungsdichte größer als (10 ^ 6 W/cm ^ 2) ist, verdampft das Material heftig und bildet ein Schlüsselloch. Der Laser dringt zur Mehrfachreflexion und Absorption in das Schlüsselloch ein, was zu einer erheblichen Erhöhung der Absorptionsrate des Materials für den Laser und einer erheblichen Erhöhung der Schmelztiefe führt.
Absorption von Laser durch Metallmaterialien – Wellenlänge
Die obige Abbildung zeigt die Beziehungskurve zwischen Reflexionsvermögen, Absorption und Wellenlänge häufig verwendeter Metalle bei Raumtemperatur. Im Infrarotbereich nimmt die Absorptionsrate mit zunehmender Wellenlänge ab und das Reflexionsvermögen zu. Die meisten Metalle reflektieren Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm (CO2) stark, während Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1,06 µm (1060 nm) schwach reflektiert. Metallmaterialien weisen höhere Absorptionsraten für kurzwellige Laser wie blaues und grünes Licht auf.
Absorption von Laser durch Metallmaterialien – Materialtemperatur und Laserenergiedichte
Nehmen wir als Beispiel eine Aluminiumlegierung: Wenn das Material fest ist, beträgt die Laserabsorptionsrate etwa 5–7 %, die Flüssigkeitsabsorptionsrate beträgt bis zu 25–35 % und im Schlüssellochzustand kann sie über 90 % erreichen.
Die Absorptionsrate des Materials gegenüber dem Laser steigt mit steigender Temperatur. Die Absorptionsrate metallischer Werkstoffe ist bei Raumtemperatur sehr gering. Wenn die Temperatur nahe an den Schmelzpunkt ansteigt, kann die Absorptionsrate 40 bis 60 % erreichen. Liegt die Temperatur nahe am Siedepunkt, kann die Absorptionsrate bis zu 90 % erreichen.
Absorption von Laser durch Metallmaterialien – Oberflächenzustand
Die herkömmliche Absorptionsrate wird anhand einer glatten Metalloberfläche gemessen. Bei praktischen Anwendungen der Lasererwärmung ist es jedoch normalerweise erforderlich, die Absorptionsrate bestimmter Materialien mit hoher Reflexion (Aluminium, Kupfer) zu erhöhen, um Fehllötungen aufgrund hoher Reflexion zu vermeiden.
Folgende Methoden können verwendet werden:
1. Die Anwendung geeigneter Oberflächenvorbehandlungsprozesse zur Verbesserung des Laserreflexionsvermögens: Prototypenoxidation, Sandstrahlen, Laserreinigung, Vernickeln, Verzinnen, Graphitbeschichtung usw. können die Absorptionsrate des Lasers durch das Material verbessern.
Der Kern besteht darin, die Rauheit der Materialoberfläche zu erhöhen (was mehrere Laserreflexionen und -absorptionen begünstigt) sowie das Beschichtungsmaterial mit hoher Absorptionsrate zu erhöhen. Durch die Absorption von Laserenergie und deren Schmelzen und Verflüchtigen durch Materialien mit hoher Absorptionsrate wird Laserwärme auf das Grundmaterial übertragen, um die Materialabsorptionsrate zu verbessern und das durch das Phänomen hoher Reflexion verursachte virtuelle Schweißen zu reduzieren.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 23. November 2023
