نرخ جذب لیزر و تغییرات در حالت ماده برهمکنش مواد لیزری

تعامل بین لیزر و مواد شامل پدیده ها و ویژگی های فیزیکی بسیاری است. سه مقاله بعدی سه پدیده فیزیکی کلیدی مرتبط با فرآیند جوشکاری لیزری را معرفی می‌کنند تا به همکاران درک روشن‌تری از این فرآیند ارائه دهند.فرآیند جوشکاری لیزری: به میزان جذب لیزر و تغییرات در حالت، پلاسما و اثر سوراخ کلید تقسیم می شود. این بار رابطه بین تغییرات حالت لیزر و مواد و میزان جذب را به روز می کنیم.

تغییرات در حالت ماده ناشی از برهمکنش بین لیزر و مواد

پردازش لیزری مواد فلزی عمدتاً بر اساس پردازش حرارتی اثرات فتوترمال است. هنگامی که تابش لیزر به سطح ماده اعمال می شود، تغییرات مختلفی در سطح ماده در چگالی توان متفاوت رخ می دهد. این تغییرات شامل افزایش دمای سطح، ذوب، تبخیر، تشکیل سوراخ کلید و تولید پلاسما است. علاوه بر این، تغییرات در وضعیت فیزیکی سطح مواد به شدت بر جذب لیزر مواد تأثیر می گذارد. با افزایش چگالی توان و زمان عمل، مواد فلزی دچار تغییرات زیر در حالت خواهند شد:

زمانی کهقدرت لیزرچگالی کم (<10^4w/cm^2) و زمان تابش کوتاه است، انرژی لیزر جذب شده توسط فلز تنها می تواند باعث افزایش دمای ماده از سطح به داخل شود، اما فاز جامد بدون تغییر باقی می ماند. . عمدتاً برای عملیات سختی بازپخت بخشی و تبدیل فاز استفاده می شود، با ابزارها، چرخ دنده ها و یاتاقان ها.

با افزایش چگالی توان لیزر (10^4-10^6w/cm^2) و طولانی شدن زمان تابش، سطح ماده به تدریج ذوب می شود. با افزایش انرژی ورودی، سطح مشترک مایع و جامد به تدریج به سمت قسمت عمیق ماده حرکت می کند. این فرآیند فیزیکی عمدتاً برای ذوب مجدد سطحی، آلیاژسازی، روکش فلزی و جوشکاری هدایت حرارتی فلزات استفاده می شود.

با افزایش بیشتر چگالی توان (> 10 ^ 6w/cm ^ 2) و طولانی شدن زمان عمل لیزر، سطح مواد نه تنها ذوب می شود بلکه تبخیر می شود و مواد تبخیر شده در نزدیکی سطح ماده جمع می شوند و به طور ضعیف یونیزه می شوند و پلاسما تشکیل می دهند. این پلاسمای نازک به مواد کمک می کند تا لیزر را جذب کنند. تحت فشار تبخیر و انبساط، سطح مایع تغییر شکل می‌دهد و حفره‌هایی ایجاد می‌کند. این مرحله می تواند برای جوشکاری لیزری، معمولاً در جوشکاری رسانایی حرارتی اتصالات میکرو در 0.5 میلی متر استفاده شود.

با افزایش بیشتر چگالی توان (> 10 ^ 7w/cm ^ 2) و طولانی شدن زمان تابش، سطح ماده تحت تبخیر شدید قرار می گیرد و پلاسما با درجه یونیزاسیون بالا را تشکیل می دهد. این پلاسمای متراکم یک اثر محافظ بر روی لیزر دارد و چگالی انرژی ناشی از برخورد لیزر به مواد را تا حد زیادی کاهش می دهد. در عین حال، تحت نیروی واکنش بخار بزرگ، سوراخ‌های کوچکی که معمولاً به آن سوراخ کلید می‌گویند، در داخل فلز ذوب شده ایجاد می‌شود، وجود سوراخ کلید برای جذب لیزر مواد مفید است و می‌توان از این مرحله برای همجوشی عمیق لیزری استفاده کرد. جوشکاری، برش و حفاری، سخت شدن ضربه ای و غیره.

تحت شرایط مختلف، طول موج های مختلف تابش لیزر بر روی مواد فلزی مختلف، مقادیر خاصی از چگالی توان را در هر مرحله ایجاد می کند.

از نظر جذب لیزر توسط مواد، تبخیر مواد یک مرز است. هنگامی که ماده تحت تبخیر قرار نمی گیرد، چه در فاز جامد یا مایع، جذب لیزر آن تنها با افزایش دمای سطح به آرامی تغییر می کند. هنگامی که مواد تبخیر می شوند و پلاسما و سوراخ کلید را تشکیل می دهند، جذب لیزر مواد به طور ناگهانی تغییر می کند.

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، نرخ جذب لیزر بر روی سطح ماده در حین جوشکاری لیزری با چگالی توان لیزر و دمای سطح مواد متفاوت است. هنگامی که مواد ذوب نمی شوند، با افزایش دمای سطح مواد، سرعت جذب مواد به لیزر به آرامی افزایش می یابد. هنگامی که چگالی توان بیشتر از (10 ^ 6w/cm ^ 2) باشد، ماده به شدت تبخیر می‌شود و سوراخ کلید را تشکیل می‌دهد. لیزر برای انعکاس و جذب متعدد وارد سوراخ کلید می شود و در نتیجه سرعت جذب مواد به لیزر و افزایش قابل توجهی در عمق ذوب افزایش می یابد.

جذب لیزر توسط مواد فلزی - طول موج

شکل بالا منحنی رابطه بین بازتاب پذیری، جذب و طول موج فلزات رایج در دمای اتاق را نشان می دهد. در ناحیه مادون قرمز، با افزایش طول موج، میزان جذب کاهش می یابد و بازتابش افزایش می یابد. بیشتر فلزات نور مادون قرمز با طول موج 10.6 m (CO2) را به شدت منعکس می کنند در حالی که نور مادون قرمز با طول موج 1.06 میلی متر (1060 نانومتر) را به شدت منعکس می کنند. مواد فلزی نرخ جذب بالاتری برای لیزرهای با طول موج کوتاه مانند نور آبی و سبز دارند.

جذب لیزر توسط مواد فلزی - دمای مواد و چگالی انرژی لیزر

با در نظر گرفتن آلیاژ آلومینیوم به عنوان مثال، زمانی که ماده جامد است، نرخ جذب لیزر در حدود 5-7٪، نرخ جذب مایع تا 25-35٪ است و می تواند در حالت سوراخ کلید به بیش از 90٪ برسد.

با افزایش دما میزان جذب مواد به لیزر افزایش می یابد. سرعت جذب مواد فلزی در دمای اتاق بسیار کم است. هنگامی که دما به نقطه ذوب نزدیک می شود، میزان جذب آن می تواند به 40٪ تا 60٪ برسد. اگر دما نزدیک به نقطه جوش باشد، میزان جذب آن می تواند به 90 درصد برسد.

جذب لیزر توسط مواد فلزی - وضعیت سطح

میزان جذب معمولی با استفاده از یک سطح فلزی صاف اندازه گیری می شود، اما در کاربردهای عملی گرمایش لیزر، معمولاً برای جلوگیری از لحیم کاری کاذب ناشی از انعکاس زیاد، باید میزان جذب برخی از مواد انعکاسی بالا (آلومینیوم، مس) را افزایش داد.

از روش های زیر می توان استفاده کرد:

1. اتخاذ فرآیندهای پیش تصفیه سطح مناسب برای بهبود بازتاب لیزر: اکسیداسیون نمونه اولیه، سندبلاست، تمیز کردن لیزر، آبکاری نیکل، آبکاری قلع، پوشش گرافیت و غیره همگی می توانند میزان جذب لیزر را در مواد بهبود بخشند.

هسته برای افزایش زبری سطح مواد (که منجر به انعکاس لیزری متعدد و جذب می شود)، و همچنین برای افزایش مواد پوشش با نرخ جذب بالا است. با جذب انرژی لیزر و ذوب و تبخیر آن از طریق مواد با نرخ جذب بالا، حرارت لیزر به ماده پایه منتقل می شود تا سرعت جذب مواد را بهبود بخشد و جوش مجازی ناشی از پدیده بازتاب بالا را کاهش دهد.