برهمکنش بین لیزر و مواد شامل پدیدهها و ویژگیهای فیزیکی بسیاری است. سه مقاله بعدی، سه پدیده فیزیکی کلیدی مرتبط با فرآیند جوشکاری لیزری را معرفی میکنند تا درک واضحتری از این موضوع در اختیار همکاران قرار دهند.فرآیند جوشکاری لیزری: به نرخ جذب لیزر و تغییرات حالت، پلاسما و اثر سوراخ کلید تقسیم میشود. این بار، رابطه بین تغییرات حالت لیزر و مواد و نرخ جذب را بهروزرسانی خواهیم کرد.
تغییرات حالت ماده ناشی از برهمکنش بین لیزر و مواد
پردازش لیزری مواد فلزی عمدتاً مبتنی بر پردازش حرارتی اثرات فوتوترمال است. هنگامی که تابش لیزر به سطح ماده اعمال میشود، تغییرات مختلفی در مساحت سطح ماده در چگالیهای توان مختلف رخ میدهد. این تغییرات شامل افزایش دمای سطح، ذوب، تبخیر، تشکیل سوراخ کلید و تولید پلاسما است. علاوه بر این، تغییرات در حالت فیزیکی مساحت سطح ماده تا حد زیادی بر جذب لیزر توسط ماده تأثیر میگذارد. با افزایش چگالی توان و زمان عمل، ماده فلزی دچار تغییرات حالت زیر خواهد شد:
وقتی کهتوان لیزرچگالی کم است (<10 ^ 4w/cm ^ 2) و زمان تابش کوتاه است، انرژی لیزر جذب شده توسط فلز فقط میتواند باعث افزایش دمای ماده از سطح به داخل شود، اما فاز جامد بدون تغییر باقی میماند. این روش عمدتاً برای عملیات آنیل قطعه و سختکاری تبدیل فازی استفاده میشود و ابزارها، چرخدندهها و یاتاقانها بیشترین کاربرد را دارند.
با افزایش چگالی توان لیزر (10^4-10^6w/cm^2) و طولانی شدن زمان تابش، سطح ماده به تدریج ذوب میشود. با افزایش انرژی ورودی، فصل مشترک مایع-جامد به تدریج به سمت قسمت عمیق ماده حرکت میکند. این فرآیند فیزیکی عمدتاً برای ذوب مجدد سطح، آلیاژسازی، روکشکاری و جوشکاری هدایت حرارتی فلزات استفاده میشود.
با افزایش بیشتر چگالی توان (>10 ^ 6w/cm ^ 2) و طولانیتر کردن زمان عمل لیزر، سطح ماده نه تنها ذوب میشود، بلکه تبخیر نیز میشود و مواد تبخیر شده در نزدیکی سطح ماده جمع میشوند و به طور ضعیف یونیزه میشوند تا پلاسما تشکیل دهند. این پلاسمای نازک به ماده کمک میکند تا لیزر را جذب کند. تحت فشار تبخیر و انبساط، سطح مایع تغییر شکل میدهد و حفرههایی تشکیل میدهد. این مرحله را میتوان برای جوشکاری لیزری، معمولاً در جوشکاری رسانایی حرارتی اتصال میکرو در فاصله 0.5 میلیمتر، استفاده کرد.
با افزایش بیشتر چگالی توان (>10 ^ 7w/cm^2) و طولانیتر شدن زمان تابش، سطح ماده تحت تبخیر شدید قرار میگیرد و پلاسمایی با درجه یونیزاسیون بالا تشکیل میدهد. این پلاسمای متراکم اثر محافظتی روی لیزر دارد و چگالی انرژی لیزر فرودی به ماده را تا حد زیادی کاهش میدهد. در عین حال، تحت نیروی واکنش بخار زیاد، سوراخهای کوچکی، که معمولاً به عنوان سوراخهای کلیدی شناخته میشوند، در داخل فلز ذوب شده تشکیل میشوند. وجود سوراخهای کلیدی برای جذب لیزر توسط ماده مفید است و این مرحله میتواند برای جوشکاری همجوشی عمیق لیزری، برش و سوراخکاری، سختکاری ضربهای و غیره استفاده شود.
تحت شرایط مختلف، طول موجهای مختلف تابش لیزر بر روی مواد فلزی مختلف، منجر به مقادیر خاصی از چگالی توان در هر مرحله خواهد شد.
از نظر جذب لیزر توسط مواد، تبخیر مواد یک مرز است. وقتی ماده تبخیر نمیشود، چه در فاز جامد و چه در فاز مایع، جذب لیزر آن تنها با افزایش دمای سطح به آرامی تغییر میکند. به محض اینکه ماده تبخیر میشود و پلاسما و سوراخهای کلید تشکیل میدهد، جذب لیزر ماده ناگهان تغییر میکند.
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، میزان جذب لیزر روی سطح ماده در حین جوشکاری لیزری با چگالی توان لیزر و دمای سطح ماده تغییر میکند. هنگامی که ماده ذوب نشده است، میزان جذب ماده به لیزر با افزایش دمای سطح ماده به آرامی افزایش مییابد. هنگامی که چگالی توان بیشتر از (10 ^ 6w/cm ^ 2) باشد، ماده به شدت تبخیر میشود و یک سوراخ کلید تشکیل میدهد. لیزر برای بازتابها و جذبهای متعدد وارد سوراخ کلید میشود و در نتیجه افزایش قابل توجهی در میزان جذب ماده به لیزر و افزایش قابل توجهی در عمق ذوب ایجاد میشود.
جذب لیزر توسط مواد فلزی - طول موج
شکل بالا منحنی رابطه بین بازتاب، جذب و طول موج فلزات رایج در دمای اتاق را نشان میدهد. در ناحیه مادون قرمز، با افزایش طول موج، میزان جذب کاهش و بازتاب افزایش مییابد. اکثر فلزات نور مادون قرمز با طول موج 10.6 میکرومتر (CO2) را به شدت منعکس میکنند در حالی که نور مادون قرمز با طول موج 1.06 میکرومتر (1060 نانومتر) را به طور ضعیف منعکس میکنند. مواد فلزی میزان 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
به عنوان مثال، با در نظر گرفتن آلیاژ آلومینیوم، وقتی ماده جامد است، میزان جذب لیزر حدود ۵-۷٪، میزان جذب مایع تا ۲۵-۳۵٪ و در حالت سوراخ کلید میتواند به بیش از ۹۰٪ برسد.
میزان جذب ماده توسط لیزر با افزایش دما افزایش مییابد. میزان جذب مواد فلزی در دمای اتاق بسیار کم است. وقتی دما تا نزدیکی نقطه ذوب بالا میرود، میزان جذب آن میتواند به 40٪ تا 60٪ برسد. اگر دما نزدیک به نقطه جوش باشد، میزان جذب آن میتواند تا 90٪ نیز برسد.
جذب لیزر توسط مواد فلزی - شرایط سطح
میزان جذب مرسوم با استفاده از یک سطح فلزی صاف اندازهگیری میشود، اما در کاربردهای عملی گرمایش لیزری، معمولاً افزایش میزان جذب برخی از مواد با بازتاب بالا (آلومینیوم، مس) برای جلوگیری از لحیمکاری کاذب ناشی از بازتاب بالا ضروری است.
میتوان از روشهای زیر استفاده کرد:
۱. اتخاذ فرآیندهای پیشپردازش سطح مناسب برای بهبود بازتاب لیزر: اکسیداسیون نمونه اولیه، سندبلاست، تمیزکاری لیزری، آبکاری نیکل، آبکاری قلع، پوشش گرافیتی و غیره، همگی میتوانند میزان جذب لیزر ماده را بهبود بخشند.
هدف اصلی افزایش زبری سطح ماده (که منجر به بازتابها و جذبهای متعدد لیزر میشود) و همچنین افزایش ماده پوششدهنده با نرخ جذب بالا است. با جذب انرژی لیزر و ذوب و تبخیر آن از طریق مواد با نرخ جذب بالا، گرمای لیزر به ماده پایه منتقل میشود تا نرخ جذب ماده بهبود یابد و جوش مجازی ناشی از پدیده بازتاب بالا کاهش یابد.
زمان ارسال: ۲۳ نوامبر ۲۰۲۳
