อัตราการดูดซับเลเซอร์และการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสารปฏิสัมพันธ์ของวัสดุเลเซอร์

ปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์กับวัสดุเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์และลักษณะทางกายภาพหลายประการ บทความสามบทความถัดไปจะแนะนำปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สำคัญสามประการที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เพื่อให้เพื่อนร่วมงานมีความเข้าใจที่ชัดเจนยิ่งขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์: แบ่งออกเป็นอัตราการดูดซับเลเซอร์และการเปลี่ยนแปลงสถานะ พลาสมา และเอฟเฟกต์รูกุญแจ ในครั้งนี้ เราจะอัปเดตความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงสถานะของเลเซอร์กับวัสดุและอัตราการดูดซับ

การเปลี่ยนแปลงสถานะของสสารที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ

การประมวลผลด้วยเลเซอร์ของวัสดุโลหะนั้นขึ้นอยู่กับการประมวลผลความร้อนของเอฟเฟกต์ความร้อนจากแสงเป็นหลัก เมื่อการฉายรังสีด้วยเลเซอร์ถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของวัสดุ การเปลี่ยนแปลงต่างๆ จะเกิดขึ้นในพื้นที่ผิวของวัสดุที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่างกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้รวมถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิพื้นผิว การหลอมเหลว การกลายเป็นไอ การเกิดรูกุญแจ และการสร้างพลาสมา นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงสถานะทางกายภาพของพื้นที่ผิวของวัสดุส่งผลกระทบอย่างมากต่อการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานและเวลาดำเนินการเพิ่มขึ้น วัสดุโลหะจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในสถานะดังต่อไปนี้:

เมื่อพลังเลเซอร์ความหนาแน่นต่ำ (<10 ^ 4w/cm ^ 2) และเวลาในการฉายรังสีสั้น พลังงานเลเซอร์ที่ดูดซับโดยโลหะสามารถทำให้อุณหภูมิของวัสดุเพิ่มขึ้นจากพื้นผิวสู่ด้านในเท่านั้น แต่เฟสของแข็งยังคงไม่เปลี่ยนแปลง . ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการอบอ่อนชิ้นส่วนและการชุบแข็งการเปลี่ยนเฟส โดยมีเครื่องมือ เกียร์ และแบริ่งเป็นส่วนใหญ่

ด้วยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) และระยะเวลาการฉายรังสีที่ยืดเยื้อ พื้นผิวของวัสดุจะค่อยๆ ละลาย เมื่อพลังงานอินพุตเพิ่มขึ้น ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและของแข็งจะค่อยๆ เคลื่อนไปทางส่วนลึกของวัสดุ กระบวนการทางกายภาพนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการหลอมพื้นผิว การผสม การหุ้ม และการเชื่อมการนำความร้อนของโลหะ

ด้วยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน (>10 ^ 6w/cm ^ 2) และยืดเวลาการทำงานของเลเซอร์ออกไป พื้นผิวของวัสดุไม่เพียงแต่ละลาย แต่ยังระเหยกลายเป็นไอ และสารที่กลายเป็นไอจะรวมตัวกันใกล้พื้นผิวของวัสดุและแตกตัวเป็นไอออนอย่างอ่อนเพื่อสร้างพลาสมา พลาสมาบาง ๆ นี้ช่วยให้วัสดุดูดซับเลเซอร์ ภายใต้แรงกดดันของการกลายเป็นไอและการขยายตัว พื้นผิวของของเหลวจะเสียรูปและก่อตัวเป็นหลุม ขั้นตอนนี้สามารถใช้สำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยปกติในการเชื่อมการนำความร้อนประกบของการเชื่อมต่อขนาดเล็กภายใน 0.5 มม.

ด้วยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน (>10 ^ 7w/cm ^ 2) และยืดเวลาการฉายรังสี พื้นผิวของวัสดุจะผ่านการกลายเป็นไออย่างรุนแรง ก่อตัวเป็นพลาสมาที่มีระดับไอออไนซ์สูง พลาสมาที่มีความหนาแน่นนี้มีผลในการป้องกันเลเซอร์ ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์ที่ตกกระทบเข้าไปในวัสดุได้อย่างมาก ในเวลาเดียวกันภายใต้แรงปฏิกิริยาไอขนาดใหญ่ รูเล็ก ๆ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่ารูกุญแจจะเกิดขึ้นภายในโลหะที่หลอมละลาย การมีอยู่ของรูกุญแจจะเป็นประโยชน์ต่อวัสดุในการดูดซับเลเซอร์ และขั้นตอนนี้สามารถใช้สำหรับฟิวชั่นเลเซอร์ลึก การเชื่อม การตัดและการเจาะ การชุบแข็งด้วยแรงกระแทก ฯลฯ

ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของการฉายรังสีเลเซอร์บนวัสดุโลหะที่แตกต่างกันจะส่งผลให้ค่าความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะในแต่ละขั้นตอน

ในแง่ของการดูดซึมของเลเซอร์ด้วยวัสดุ การกลายเป็นไอของวัสดุถือเป็นขอบเขต เมื่อวัสดุไม่ผ่านการกลายเป็นไอ ไม่ว่าจะอยู่ในสถานะของแข็งหรือของเหลว การดูดซับของเลเซอร์จะเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นเท่านั้น เมื่อวัสดุระเหยกลายเป็นพลาสมาและรูกุญแจ การดูดซับเลเซอร์ของวัสดุจะเปลี่ยนไปทันที

ดังแสดงในรูปที่ 2 อัตราการดูดซับของเลเซอร์บนพื้นผิววัสดุระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์จะแตกต่างกันไปตามความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์และอุณหภูมิพื้นผิวของวัสดุ เมื่อวัสดุไม่ละลาย อัตราการดูดซึมของวัสดุไปยังเลเซอร์จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิพื้นผิวของวัสดุที่เพิ่มขึ้น เมื่อความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า (10 ^ 6w/cm ^ 2) วัสดุจะระเหยอย่างรุนแรงจนกลายเป็นรูกุญแจ เลเซอร์เข้าสู่รูกุญแจเพื่อการสะท้อนและการดูดซับหลายครั้ง ส่งผลให้อัตราการดูดซับของวัสดุไปยังเลเซอร์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มความลึกของการหลอมละลายอย่างมีนัยสำคัญ

การดูดซับเลเซอร์ด้วยวัสดุโลหะ – ความยาวคลื่น

รูปด้านบนแสดงเส้นโค้งความสัมพันธ์ระหว่างการสะท้อนแสง การดูดกลืนแสง และความยาวคลื่นของโลหะที่ใช้กันทั่วไปที่อุณหภูมิห้อง ในบริเวณอินฟราเรด อัตราการดูดกลืนแสงจะลดลงและการสะท้อนแสงจะเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น โลหะส่วนใหญ่จะสะท้อนแสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 10.6um (CO2) อย่างรุนแรง ในขณะที่สะท้อนแสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 1.06um (1060nm) อย่างอ่อน วัสดุโลหะมีอัตราการดูดซับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นสูงกว่า เช่น แสงสีน้ำเงินและสีเขียว

การดูดซับเลเซอร์ด้วยวัสดุโลหะ - อุณหภูมิวัสดุและความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์

ยกตัวอย่างอลูมิเนียมอัลลอยด์ เมื่อวัสดุแข็ง อัตราการดูดซึมเลเซอร์จะอยู่ที่ประมาณ 5-7% อัตราการดูดซึมของเหลวสูงถึง 25-35% และสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 90% ในสถานะรูกุญแจ

อัตราการดูดซึมของวัสดุไปยังเลเซอร์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น อัตราการดูดซึมของวัสดุโลหะที่อุณหภูมิห้องต่ำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจนใกล้จุดหลอมเหลว อัตราการดูดซึมจะสูงถึง 40%~60% หากอุณหภูมิใกล้จุดเดือด อัตราการดูดซึมจะสูงถึง 90%

การดูดซับเลเซอร์ด้วยวัสดุโลหะ - สภาพพื้นผิว

อัตราการดูดซับแบบเดิมวัดโดยใช้พื้นผิวโลหะเรียบ แต่ในการใช้งานจริงของการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ มักจะจำเป็นต้องเพิ่มอัตราการดูดซับของวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูงบางชนิด (อะลูมิเนียม ทองแดง) เพื่อหลีกเลี่ยงการบัดกรีผิดพลาดที่เกิดจากการสะท้อนแสงสูง

สามารถใช้วิธีการต่อไปนี้:

1. ใช้กระบวนการปรับสภาพพื้นผิวที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงการสะท้อนแสงของเลเซอร์: การออกซิเดชันต้นแบบ, การพ่นทราย, การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์, การชุบนิกเกิล, การชุบดีบุก, การเคลือบกราไฟท์ ฯลฯ สามารถปรับปรุงอัตราการดูดซับของเลเซอร์ของวัสดุได้

แกนหลักคือการเพิ่มความหยาบของพื้นผิววัสดุ (ซึ่งเอื้อต่อการสะท้อนและการดูดซับด้วยเลเซอร์หลายครั้ง) รวมทั้งเพิ่มวัสดุเคลือบที่มีอัตราการดูดซับสูง โดยการดูดซับพลังงานเลเซอร์และการหลอมละลายและการระเหยผ่านวัสดุที่มีอัตราการดูดซับสูง ความร้อนของเลเซอร์จะถูกส่งไปยังวัสดุฐานเพื่อปรับปรุงอัตราการดูดซับวัสดุ และลดการเชื่อมเสมือนที่เกิดจากปรากฏการณ์การสะท้อนแสงสูง