L'interazzione trà u laser è i materiali implica parechji fenomeni è caratteristiche fisiche. I prossimi trè articuli presenteranu i trè fenomeni fisichi chjave ligati à u prucessu di saldatura laser per furnisce à i culleghi una comprensione più chjara diprucessu di saldatura laser: divisu in velocità d'assorbimentu laser è cambiamenti di statu, plasma è effettu serratura. Sta volta, aghjurneremu a relazione trà i cambiamenti di statu di u laser è i materiali è a velocità d'assorbimentu.
Cambiamenti di statu di a materia causati da l'interazione trà u laser è i materiali
U trattamentu laser di i materiali metallichi hè principalmente basatu annantu à u trattamentu termicu di l'effetti fototermichi. Quandu l'irradiazione laser hè applicata à a superficia di u materiale, si verificanu diversi cambiamenti in a superficia di u materiale à diverse densità di putenza. Questi cambiamenti includenu l'aumentu di a temperatura di a superficia, a fusione, a vaporizazione, a furmazione di buchi di serratura è a generazione di plasma. Inoltre, i cambiamenti in u statu fisicu di a superficia di u materiale influenzanu assai l'assorbimentu di u laser da u materiale. Cù l'aumentu di a densità di putenza è di u tempu d'azione, u materiale metallicu subisce i seguenti cambiamenti di statu:
Quandu uputenza laserA densità hè bassa (<10 ^ 4w/cm ^ 2) è u tempu d'irradiazione hè cortu, l'energia laser assorbita da u metallu pò solu fà cresce a temperatura di u materiale da a superficia à l'internu, ma a fase solida ferma invariata. Hè principalmente adupratu per a ricottura di e parti è u trattamentu di indurimentu per trasfurmazione di fase, cù strumenti, ingranaggi è cuscinetti chì sò a maiuranza;
Cù l'aumentu di a densità di putenza laser (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) è u prulungamentu di u tempu d'irradiazione, a superficia di u materiale si fonde gradualmente. À misura chì l'energia d'ingressu aumenta, l'interfaccia liquidu-solidu si move gradualmente versu a parte prufonda di u materiale. Stu prucessu fisicu hè principalmente adupratu per a rifusione superficiale, a lega, u rivestimentu è a saldatura di metalli per cunduttività termica.
Aumentendu ulteriormente a densità di putenza (>10 ^ 6w/cm ^ 2) è prulungendu u tempu d'azione di u laser, a superficia di u materiale ùn solu si fonde ma ancu si vaporizza, è e sustanze vaporizzate si riuniscenu vicinu à a superficia di u materiale è si ionizanu debulemente per furmà un plasma. Stu plasma finu aiuta u materiale à assorbe u laser; Sottu a pressione di vaporizazione è espansione, a superficia di u liquidu si deforma è forma pozzi. Questa tappa pò esse aduprata per a saldatura laser, di solitu in a saldatura di splicing per conducibilità termica di micro cunnessione in 0,5 mm.
Aumentendu ulteriormente a densità di putenza (>10 ^ 7w/cm ^ 2) è prulungendu u tempu d'irradiazione, a superficia di u materiale subisce una forte vaporizazione, furmendu un plasma cù un altu gradu di ionizazione. Stu plasma densu hà un effettu di schermatura nantu à u laser, riducendu assai a densità d'energia di u laser incidente in u materiale. À u listessu tempu, sottu una grande forza di reazione di vapore, picculi fori, cumunimenti cunnisciuti cum'è fori di serratura, si formanu in u metallu fusu. L'esistenza di fori di serratura hè benefica per u materiale per assorbe u laser, è sta tappa pò esse aduprata per a saldatura à fusione profonda laser, u tagliu è a perforazione, l'indurimentu à impattu, ecc.
In diverse cundizioni, diverse lunghezze d'onda di l'irradiazione laser nantu à diversi materiali metallichi daranu valori specifici di densità di putenza in ogni tappa.
In termini di l'assorbimentu di u laser da i materiali, a vaporizazione di i materiali hè una limita. Quandu u materiale ùn subisce micca vaporizazione, sia in fase solida sia liquida, u so assorbimentu di laser cambia solu pianu pianu cù l'aumentu di a temperatura di a superficia; Una volta chì u materiale si vaporizza è forma plasma è buchi di serratura, l'assorbimentu di laser di u materiale cambierà di colpu.
Cum'è mostratu in a Figura 2, a velocità d'assorbimentu di u laser nantu à a superficia di u materiale durante a saldatura laser varieghja cù a densità di putenza di u laser è a temperatura di a superficia di u materiale. Quandu u materiale ùn hè micca fusu, a velocità d'assorbimentu di u materiale à u laser aumenta lentamente cù l'aumentu di a temperatura di a superficia di u materiale. Quandu a densità di putenza hè più grande di (10 ^ 6w/cm ^ 2), u materiale si vaporizza viulentamente, furmendu una serratura. U laser entra in a serratura per riflessioni è assorbimenti multipli, risultendu in un aumentu significativu di a velocità d'assorbimentu di u materiale à u laser è un aumentu significativu di a prufundità di fusione.
Assorbimentu di u laser da i materiali metallichi - Lunghezza d'onda
A figura sopra mostra a curva di relazione trà a riflettività, l'assorbanza è a lunghezza d'onda di i metalli cumunemente usati à temperatura ambiente. In a regione infrarossa, u tassu d'assorbimentu diminuisce è a riflettività aumenta cù l'aumentu di a lunghezza d'onda. A maiò parte di i metalli riflettenu fortemente a luce infrarossa di lunghezza d'onda di 10,6 um (CO2) mentre riflettenu debulemente a luce infrarossa di lunghezza d'onda di 1,06 um (1060 nm). I materiali metallichi anu tassi d'assorbimentu più elevati per i laser à lunghezza d'onda corta, cum'è a luce blu è verde.
Assorbimentu di u laser da i materiali metallichi - Temperatura di u materiale è densità di l'energia laser
Pigliendu cum'è esempiu a lega d'aluminiu, quandu u materiale hè solidu, u tassu d'assorbimentu di u laser hè intornu à 5-7%, u tassu d'assorbimentu di u liquidu hè finu à 25-35%, è pò ghjunghje à più di 90% in u statu di u bucu di a serratura.
A velocità di assorbimentu di u materiale à u laser aumenta cù l'aumentu di a temperatura. A velocità di assorbimentu di i materiali metallichi à temperatura ambiente hè assai bassa. Quandu a temperatura aumenta finu à vicinu à u puntu di fusione, a so velocità di assorbimentu pò ghjunghje à 40% ~ 60%. Se a temperatura hè vicina à u puntu di ebullizione, a so velocità di assorbimentu pò ghjunghje sin'à 90%.
Assorbimentu di u laser da i materiali metallichi - Cundizione di a superficia
U tassu d'assorbimentu cunvinziunale hè misuratu aduprendu una superficia metallica liscia, ma in l'applicazioni pratiche di riscaldamentu laser, hè generalmente necessariu aumentà u tassu d'assorbimentu di certi materiali à alta riflessione (aluminiu, rame) per evità a falsa saldatura causata da una alta riflessione;
I seguenti metudi ponu esse aduprati:
1. Aduttà prucessi di pretrattamentu superficiale adatti per migliurà a riflettività di u laser: l'ossidazione di prototipi, a sabbiatura, a pulizia laser, a nichelatura, a stagnatura, u rivestimentu di grafite, ecc. ponu tutti migliurà u tassu di assorbimentu di u laser da u materiale;
U core hè di aumentà a rugosità di a superficia di u materiale (chì hè favurevule à riflessioni è assorbimenti laser multipli), è ancu di aumentà u materiale di rivestimentu cù un altu tassu d'assorbimentu. Assorbendu l'energia laser è fundendula è volatilizendula attraversu materiali à altu tassu d'assorbimentu, u calore laser hè trasmessu à u materiale di basa per migliurà u tassu d'assorbimentu di u materiale è riduce a saldatura virtuale causata da u fenomenu di alta riflessione.
Data di publicazione: 23 di nuvembre di u 2023
