Die Wechselwirkung zwischen Laser und Materialien umfasst zahlreiche physikalische Phänomene und Eigenschaften. Die folgenden drei Artikel stellen die drei wichtigsten physikalischen Phänomene des Laserschweißprozesses vor, um den Kollegen ein besseres Verständnis zu vermitteln.LaserschweißverfahrenUnterteilt in Laserabsorptionsrate und Zustandsänderungen, Plasma- und Keyhole-Effekt. Diesmal aktualisieren wir den Zusammenhang zwischen Zustandsänderungen von Laser und Materialien sowie der Absorptionsrate.
Zustandsänderungen der Materie, die durch die Wechselwirkung zwischen Laser und Materialien verursacht werden
Die Laserbearbeitung von Metallwerkstoffen basiert hauptsächlich auf der thermischen Verarbeitung mittels photothermischer Effekte. Bei Bestrahlung der Materialoberfläche mit Laserlicht treten je nach Leistungsdichte verschiedene Veränderungen auf. Dazu gehören Temperaturanstieg, Schmelzen, Verdampfen, Bildung von Dampfkanälen und Plasmaerzeugung. Darüber hinaus beeinflussen die Veränderungen des physikalischen Zustands der Materialoberfläche maßgeblich die Laserabsorption. Mit zunehmender Leistungsdichte und Einwirkzeit erfährt das Metallwerkstoff folgende Zustandsänderungen:
Wenn dieLaserleistungDie Dichte ist gering (<10 ^ 4 W/cm ^ 2) und die Bestrahlungszeit kurz. Die vom Metall absorbierte Laserenergie führt lediglich zu einem Temperaturanstieg des Materials von der Oberfläche nach innen, die feste Phase bleibt jedoch unverändert. Das Verfahren wird hauptsächlich zum Glühen und zur Phasenumwandlungshärtung von Bauteilen eingesetzt, wobei Werkzeuge, Zahnräder und Lager den größten Anteil ausmachen.
Mit zunehmender Laserleistungsdichte (10⁴–10⁶ W/cm²) und verlängerter Bestrahlungszeit schmilzt die Materialoberfläche allmählich. Mit steigender Energiezufuhr wandert die Flüssig-Fest-Grenzfläche zunehmend in tiefere Materialschichten. Dieses physikalische Verfahren wird hauptsächlich zum Oberflächenumschmelzen, Legieren, Plattieren und Wärmeleitschweißen von Metallen eingesetzt.
Durch weitere Erhöhung der Leistungsdichte (>10⁶ W/cm²) und Verlängerung der Laserbehandlungszeit schmilzt die Materialoberfläche nicht nur, sondern verdampft auch. Die verdampften Substanzen sammeln sich nahe der Oberfläche und ionisieren schwach zu einem Plasma. Dieses dünne Plasma trägt zur Absorption des Lasers durch das Material bei. Unter dem Druck der Verdampfung und Expansion verformt sich die Flüssigkeitsoberfläche und bildet Vertiefungen. Dieses Verfahren eignet sich zum Laserschweißen, insbesondere zum wärmeleitenden Spleißen von Mikroverbindungen im Bereich von 0,5 mm.
Durch weitere Erhöhung der Leistungsdichte (>10⁷ W/cm²) und Verlängerung der Bestrahlungszeit kommt es zu einer starken Verdampfung der Materialoberfläche, wodurch ein Plasma mit hohem Ionisierungsgrad entsteht. Dieses dichte Plasma schirmt den Laser ab und reduziert die Energiedichte des auf das Material auftreffenden Laserstrahls erheblich. Gleichzeitig bilden sich unter dem Einfluss der hohen Dampfreaktionskräfte kleine Poren, sogenannte Keyholes, im Inneren des geschmolzenen Metalls. Das Vorhandensein dieser Keyholes begünstigt die Laserabsorption im Material, und dieses Stadium kann für Lasertiefschweißen, Schneiden und Bohren, Schlaghärten usw. genutzt werden.
Unter verschiedenen Bedingungen führen unterschiedliche Wellenlängen der Laserbestrahlung auf unterschiedliche Metallmaterialien zu spezifischen Werten der Leistungsdichte in jeder Phase.
Hinsichtlich der Laserabsorption durch Materialien stellt die Verdampfung der Materialien eine Grenze dar. Solange das Material nicht verdampft, sei es im festen oder flüssigen Zustand, ändert sich seine Laserabsorption mit steigender Oberflächentemperatur nur langsam. Sobald das Material verdampft und Plasma und Keyholes bildet, ändert sich die Laserabsorption des Materials sprunghaft.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, variiert die Absorptionsrate des Lasers an der Materialoberfläche beim Laserschweißen mit der Laserleistungsdichte und der Materialoberflächentemperatur. Solange das Material nicht schmilzt, steigt die Absorptionsrate mit zunehmender Materialoberflächentemperatur nur langsam an. Bei einer Leistungsdichte von über 10⁶ W/cm² verdampft das Material explosionsartig und bildet einen Schweißkanal. Der Laser dringt in diesen Schweißkanal ein, erfährt dort Mehrfachreflexionen und Absorption, was zu einer deutlichen Erhöhung der Absorptionsrate und der Schmelztiefe führt.
Absorption von Laserlicht durch metallische Werkstoffe – Wellenlänge
Die obige Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Reflexionsgrad, Absorptionsgrad und Wellenlänge gängiger Metalle bei Raumtemperatur. Im Infrarotbereich nimmt die Absorption mit zunehmender Wellenlänge ab, während der Reflexionsgrad steigt. Die meisten Metalle reflektieren Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm (CO₂) stark, während sie Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1,06 µm (1060 nm) nur schwach reflektieren. Metalle weisen höhere Absorptionsraten für kurzwelliges Laserlicht, wie beispielsweise blaues und grünes Licht, auf.
Absorption von Laserlicht durch metallische Werkstoffe – Materialtemperatur und Laserenergiedichte
Nehmen wir Aluminiumlegierungen als Beispiel: Im festen Zustand liegt die Laserabsorptionsrate bei etwa 5-7 %, im flüssigen Zustand bei bis zu 25-35 % und kann im Keyhole-Zustand über 90 % erreichen.
Die Absorptionsrate des Materials gegenüber dem Laserlicht steigt mit zunehmender Temperatur. Metallische Werkstoffe weisen bei Raumtemperatur eine sehr geringe Absorptionsrate auf. Steigt die Temperatur nahe an den Schmelzpunkt, kann die Absorptionsrate 40–60 % erreichen. Nahe dem Siedepunkt kann sie sogar bis zu 90 % betragen.
Absorption von Laserlicht durch metallische Werkstoffe – Oberflächenbeschaffenheit
Die herkömmliche Absorptionsrate wird mit einer glatten Metalloberfläche gemessen. Bei praktischen Anwendungen der Lasererwärmung ist es jedoch üblicherweise erforderlich, die Absorptionsrate bestimmter stark reflektierender Materialien (Aluminium, Kupfer) zu erhöhen, um Fehllötungen aufgrund der hohen Reflexion zu vermeiden.
Folgende Methoden können angewendet werden:
1. Durch die Anwendung geeigneter Oberflächenvorbehandlungsverfahren lässt sich die Reflektivität des Lasers verbessern: Prototypenoxidation, Sandstrahlen, Laserreinigung, Vernickelung, Verzinnung, Graphitbeschichtung usw. können alle die Absorptionsrate des Lasers durch das Material verbessern;
Das Kernprinzip besteht darin, die Oberflächenrauheit des Materials zu erhöhen (was Mehrfachreflexionen und -absorption des Lasers begünstigt) und gleichzeitig den Anteil des Beschichtungsmaterials mit hoher Absorptionsrate zu steigern. Durch Absorption der Laserenergie und deren Schmelzen und Verdampfen in Materialien mit hoher Absorptionsrate wird die Laserwärme auf das Grundmaterial übertragen, um dessen Absorptionsrate zu verbessern und die durch hohe Reflexionen verursachte virtuelle Schweißung zu reduzieren.
Veröffentlichungsdatum: 23. November 2023
