อัตราการดูดซับเลเซอร์และการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสารในปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับวัสดุเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทางกายภาพและคุณลักษณะหลายประการ บทความสามบทถัดไปจะแนะนำปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สำคัญสามประการที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เพื่อให้เพื่อนร่วมงานมีความเข้าใจที่ชัดเจนยิ่งขึ้นกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์: แบ่งออกเป็นอัตราการดูดซับเลเซอร์และการเปลี่ยนแปลงสถานะ พลาสมา และเอฟเฟกต์รูเจาะ ในครั้งนี้ เราจะอัปเดตความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงสถานะของเลเซอร์กับวัสดุและอัตราการดูดซับ

การเปลี่ยนแปลงสถานะของสสารที่เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ

การประมวลผลวัสดุโลหะด้วยเลเซอร์นั้นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการประมวลผลทางความร้อนจากปรากฏการณ์โฟโตเทอร์มอล เมื่อฉายแสงเลเซอร์ไปที่พื้นผิววัสดุ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงต่างๆ บนพื้นผิวของวัสดุที่ความหนาแน่นพลังงานต่างกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้รวมถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิพื้นผิว การหลอมเหลว การระเหย การเกิดรู และการเกิดพลาสมา นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงสถานะทางกายภาพของพื้นผิววัสดุยังส่งผลต่อการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุอย่างมาก เมื่อความหนาแน่นพลังงานและเวลาในการทำงานเพิ่มขึ้น วัสดุโลหะจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะดังต่อไปนี้:

เมื่อพลังงานเลเซอร์เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ (<10^4 วัตต์/ซม.²) และระยะเวลาการฉายแสงสั้น พลังงานเลเซอร์ที่โลหะดูดซับจึงทำให้เพียงอุณหภูมิของวัสดุเพิ่มขึ้นจากพื้นผิวไปยังด้านในเท่านั้น แต่สถานะของแข็งยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการอบอ่อนชิ้นส่วนและการเพิ่มความแข็งโดยการเปลี่ยนเฟส โดยส่วนใหญ่ใช้กับเครื่องมือ เฟือง และตลับลูกปืน

เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์เพิ่มขึ้น (10^4-10^6 วัตต์/ซม.²) และระยะเวลาการฉายรังสีนานขึ้น พื้นผิวของวัสดุจะค่อยๆ หลอมละลาย เมื่อพลังงานที่ป้อนเข้าไปเพิ่มขึ้น รอยต่อระหว่างของเหลวและของแข็งจะค่อยๆ เคลื่อนตัวเข้าสู่ส่วนลึกของวัสดุ กระบวนการทางกายภาพนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการหลอมละลายพื้นผิว การผสมโลหะ การเคลือบ และการเชื่อมโลหะด้วยการนำความร้อน

ด้วยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานให้มากขึ้น (>10⁶ วัตต์/ตารางเซนติเมตร) และยืดเวลาการทำงานของเลเซอร์ให้นานขึ้น พื้นผิวของวัสดุไม่เพียงแต่หลอมเหลวเท่านั้น แต่ยังระเหยกลายเป็นไอด้วย และสารที่ระเหยกลายเป็นไอจะรวมตัวกันใกล้พื้นผิวของวัสดุและแตกตัวเป็นไอออนอย่างอ่อนๆ เพื่อสร้างพลาสมา พลาสมาบางๆ นี้ช่วยให้วัสดุดูดซับเลเซอร์ได้ ภายใต้แรงดันจากการระเหยและการขยายตัว พื้นผิวของเหลวจะเสียรูปและเกิดเป็นหลุม ขั้นตอนนี้สามารถนำไปใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ได้ โดยปกติจะใช้ในการเชื่อมแบบนำความร้อนของจุดเชื่อมต่อขนาดเล็กไม่เกิน 0.5 มิลลิเมตร

ด้วยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานให้มากขึ้น (>10^7 วัตต์/ซม.²) และยืดเวลาการฉายรังสี พื้นผิวของวัสดุจะเกิดการระเหยอย่างรุนแรง ก่อให้เกิดพลาสมาที่มีระดับการแตกตัวเป็นไอออนสูง พลาสมาที่มีความหนาแน่นสูงนี้มีผลในการป้องกันเลเซอร์ ลดความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ที่ตกกระทบวัสดุลงอย่างมาก ในขณะเดียวกัน ภายใต้แรงปฏิกิริยาของไอระเหยขนาดใหญ่ จะเกิดรูเล็กๆ ที่เรียกว่ารูเจาะ (keyholes) ขึ้นภายในโลหะที่หลอมเหลว การมีอยู่ของรูเจาะเหล่านี้เป็นประโยชน์ต่อวัสดุในการดูดซับเลเซอร์ และขั้นตอนนี้สามารถนำไปใช้ในการเชื่อมแบบหลอมรวมลึกด้วยเลเซอร์ การตัดและการเจาะ การชุบแข็งด้วยแรงกระแทก ฯลฯ

ภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน การฉายแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันลงบนวัสดุโลหะต่างชนิดกัน จะส่งผลให้ได้ค่าความหนาแน่นของพลังงานที่เฉพาะเจาะจงในแต่ละขั้นตอน

ในแง่ของการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุ การระเหยของวัสดุถือเป็นจุดเปลี่ยน เมื่อวัสดุไม่ระเหย ไม่ว่าจะอยู่ในสถานะของแข็งหรือของเหลว การดูดซับเลเซอร์ของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิพื้นผิว แต่เมื่อวัสดุระเหยและเกิดเป็นพลาสมาและรูพรุน การดูดซับเลเซอร์ของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน

ดังแสดงในรูปที่ 2 อัตราการดูดซับเลเซอร์บนพื้นผิววัสดุระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์จะแปรผันตามความหนาแน่นของกำลังเลเซอร์และอุณหภูมิพื้นผิววัสดุ เมื่อวัสดุไม่หลอมเหลว อัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิพื้นผิววัสดุ เมื่อความหนาแน่นของกำลังมากกว่า (10 ^ 6w/cm ^ 2) วัสดุจะระเหยอย่างรุนแรง เกิดเป็นรูทะลุ เลเซอร์จะเข้าไปในรูทะลุ เกิดการสะท้อนและการดูดซับหลายครั้ง ส่งผลให้อัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุเพิ่มขึ้นอย่างมาก และความลึกของการหลอมเหลวก็เพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน

การดูดซับแสงเลเซอร์โดยวัสดุโลหะ – ความยาวคลื่น

ภาพด้านบนแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าการสะท้อนแสง ค่าการดูดกลืนแสง และความยาวคลื่นของโลหะที่ใช้กันทั่วไปที่อุณหภูมิห้อง ในช่วงคลื่นอินฟราเรด อัตราการดูดกลืนแสงจะลดลงและค่าการสะท้อนแสงจะเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น โลหะส่วนใหญ่สะท้อนแสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 10.6 ไมโครเมตร (CO2) ได้ดี ในขณะที่สะท้อนแสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 1.06 ไมโครเมตร (1060 นาโนเมตร) ได้น้อย โลหะมีอัตราการดูดกลืนแสงสูงกว่าสำหรับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้น เช่น แสงสีน้ำเงินและสีเขียว

การดูดซับแสงเลเซอร์โดยวัสดุโลหะ – อุณหภูมิของวัสดุและความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์

ยกตัวอย่างเช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม เมื่อวัสดุอยู่ในสถานะของแข็ง อัตราการดูดซับเลเซอร์จะอยู่ที่ประมาณ 5-7% เมื่ออยู่ในสถานะของเหลว อัตราการดูดซับจะสูงถึง 25-35% และสามารถสูงถึงกว่า 90% ในสถานะรูเจาะ

อัตราการดูดซับแสงเลเซอร์ของวัสดุจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น อัตราการดูดซับของวัสดุโลหะที่อุณหภูมิห้องนั้นต่ำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นใกล้จุดหลอมเหลว อัตราการดูดซับจะสูงถึง 40%-60% และหากอุณหภูมิใกล้จุดเดือด อัตราการดูดซับอาจสูงถึง 90%

การดูดซับแสงเลเซอร์โดยวัสดุโลหะ – สภาพพื้นผิว

โดยทั่วไป อัตราการดูดซับจะวัดโดยใช้พื้นผิวโลหะเรียบ แต่ในการใช้งานจริงของการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ มักจำเป็นต้องเพิ่มอัตราการดูดซับของวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูงบางชนิด (เช่น อะลูมิเนียม ทองแดง) เพื่อหลีกเลี่ยงการบัดกรีที่ผิดพลาดซึ่งเกิดจากการสะท้อนแสงสูง

สามารถใช้วิธีการต่อไปนี้ได้:

1. การใช้กระบวนการเตรียมพื้นผิวที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงการสะท้อนแสงเลเซอร์: การออกซิเดชั่นต้นแบบ การพ่นทราย การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ การชุบนิกเกิล การชุบดีบุก การเคลือบกราไฟต์ ฯลฯ ล้วนสามารถปรับปรุงอัตราการดูดซับแสงเลเซอร์ของวัสดุได้

หลักการสำคัญคือการเพิ่มความหยาบของพื้นผิววัสดุ (ซึ่งเอื้อต่อการสะท้อนและการดูดซับของเลเซอร์หลายครั้ง) รวมถึงการเพิ่มวัสดุเคลือบที่มีอัตราการดูดซับสูง โดยการดูดซับพลังงานเลเซอร์และหลอมละลายและระเหยผ่านวัสดุที่มีอัตราการดูดซับสูง ความร้อนจากเลเซอร์จะถูกส่งไปยังวัสดุฐานเพื่อเพิ่มอัตราการดูดซับของวัสดุและลดการเชื่อมเสมือนที่เกิดจากปรากฏการณ์การสะท้อนสูง