Interaksi antara laser dan material melibatkan banyak fenomena dan karakteristik fisik. Tiga artikel berikutnya akan memperkenalkan tiga fenomena fisik utama yang terkait dengan proses pengelasan laser untuk memberikan pemahaman yang lebih jelas kepada rekan-rekan tentang proses pengelasan laser.proses pengelasan laser: dibagi menjadi laju penyerapan laser dan perubahan keadaan, plasma, dan efek lubang kunci. Kali ini, kami akan memperbarui hubungan antara perubahan keadaan laser dan material serta tingkat penyerapan.
Perubahan wujud materi disebabkan oleh interaksi antara laser dan material
Pemrosesan laser bahan logam terutama didasarkan pada pemrosesan termal dari efek fototermal. Ketika iradiasi laser diterapkan pada permukaan material, berbagai perubahan akan terjadi pada luas permukaan material pada kepadatan daya yang berbeda. Perubahan ini meliputi kenaikan suhu permukaan, pencairan, penguapan, pembentukan lubang kunci, dan pembentukan plasma. Selain itu, perubahan keadaan fisik luas permukaan material sangat mempengaruhi penyerapan laser pada material. Dengan bertambahnya rapat daya dan waktu kerja, material logam akan mengalami perubahan wujud sebagai berikut:
Ketikakekuatan laserkepadatannya rendah (<10 ^ 4w/cm ^ 2) dan waktu penyinaran yang singkat, energi laser yang diserap oleh logam hanya dapat menyebabkan suhu material naik dari permukaan ke dalam, tetapi fase padatnya tetap tidak berubah. . Hal ini terutama digunakan untuk perawatan pengerasan bagian anil dan transformasi fase, dengan perkakas, roda gigi, dan bantalan menjadi mayoritas;
Dengan peningkatan kepadatan daya laser (10^4-10^6w/cm^2) dan perpanjangan waktu iradiasi, permukaan material secara bertahap meleleh. Ketika energi masukan meningkat, antarmuka cair-padat secara bertahap bergerak menuju bagian dalam material. Proses fisik ini terutama digunakan untuk peleburan kembali permukaan, paduan, pelapisan, dan pengelasan konduktivitas termal logam.
Dengan meningkatkan lebih lanjut kepadatan daya (>10 ^ 6w/cm ^ 2) dan memperpanjang waktu aksi laser, permukaan material tidak hanya meleleh tetapi juga menguap, dan zat yang menguap berkumpul di dekat permukaan material dan terionisasi lemah untuk membentuk plasma. Plasma tipis ini membantu material menyerap laser; Di bawah tekanan penguapan dan pemuaian, permukaan cairan berubah bentuk dan membentuk lubang. Tahap ini dapat digunakan untuk pengelasan laser, biasanya pada pengelasan konduktivitas termal penyambungan sambungan mikro dalam jarak 0,5 mm.
Dengan semakin meningkatkan rapat daya (>10 ^ 7w/cm ^ 2) dan memperpanjang waktu iradiasi, permukaan material mengalami penguapan yang kuat, membentuk plasma dengan derajat ionisasi tinggi. Plasma padat ini memiliki efek pelindung pada laser, sehingga sangat mengurangi kepadatan energi laser yang mengenai material. Pada saat yang sama, di bawah gaya reaksi uap yang besar, lubang-lubang kecil, yang biasa disebut lubang kunci, terbentuk di dalam logam yang meleleh. Keberadaan lubang kunci bermanfaat bagi material untuk menyerap laser, dan tahap ini dapat digunakan untuk laser fusi dalam. pengelasan, pemotongan dan pengeboran, pengerasan benturan, dll.
Dalam kondisi yang berbeda, panjang gelombang iradiasi laser yang berbeda pada bahan logam yang berbeda akan menghasilkan nilai kepadatan daya tertentu pada setiap tahap.
Dalam hal penyerapan laser oleh material, penguapan material adalah batasnya. Ketika material tidak mengalami penguapan, baik dalam fase padat maupun cair, penyerapan lasernya hanya berubah secara perlahan seiring dengan meningkatnya suhu permukaan; Setelah material menguap dan membentuk plasma dan lubang kunci, penyerapan laser material akan tiba-tiba berubah.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, laju penyerapan laser pada permukaan material selama pengelasan laser bervariasi menurut kepadatan daya laser dan suhu permukaan material. Ketika material tidak meleleh, laju penyerapan material ke laser perlahan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu permukaan material. Ketika rapat daya lebih besar dari (10 ^ 6w/cm ^ 2), material akan menguap dengan hebat, membentuk lubang kunci. Laser memasuki lubang kunci untuk beberapa refleksi dan penyerapan, menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam laju penyerapan material terhadap laser dan peningkatan yang signifikan dalam kedalaman leleh.
Penyerapan Laser oleh Bahan Logam – Panjang Gelombang
Gambar di atas menunjukkan kurva hubungan antara reflektifitas, serapan, dan panjang gelombang logam yang umum digunakan pada suhu kamar. Di daerah inframerah, laju penyerapan menurun dan reflektivitas meningkat seiring bertambahnya panjang gelombang. Kebanyakan logam memantulkan cahaya inframerah dengan panjang gelombang 10,6um (CO2) dengan kuat, sementara memantulkan cahaya inframerah dengan panjang gelombang 1,06um (1060nm) secara lemah. Bahan logam memiliki tingkat penyerapan yang lebih tinggi untuk laser dengan panjang gelombang pendek, seperti lampu biru dan hijau.
Penyerapan Laser oleh Bahan Logam – Suhu Bahan dan Kepadatan Energi Laser
Mengambil contoh paduan aluminium, ketika bahannya padat, tingkat penyerapan laser sekitar 5-7%, tingkat penyerapan cairan hingga 25-35%, dan dapat mencapai lebih dari 90% dalam keadaan lubang kunci.
Tingkat penyerapan material ke laser meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. Tingkat penyerapan bahan logam pada suhu kamar sangat rendah. Ketika suhu naik mendekati titik leleh, laju penyerapannya bisa mencapai 40%~60%. Jika suhu mendekati titik didih, laju penyerapannya bisa mencapai 90%.
Penyerapan Laser oleh Bahan Logam – Kondisi Permukaan
Laju penyerapan konvensional diukur menggunakan permukaan logam halus, namun dalam aplikasi praktis pemanasan laser, biasanya diperlukan peningkatan laju penyerapan bahan refleksi tinggi tertentu (aluminium, tembaga) untuk menghindari penyolderan palsu yang disebabkan oleh refleksi tinggi;
Metode berikut dapat digunakan:
1. Mengadopsi proses pra-perawatan permukaan yang sesuai untuk meningkatkan reflektifitas laser: oksidasi prototipe, peledakan pasir, pembersihan laser, pelapisan nikel, pelapisan timah, pelapisan grafit, dll. semuanya dapat meningkatkan tingkat penyerapan material laser;
Intinya adalah untuk meningkatkan kekasaran permukaan material (yang kondusif bagi banyak pantulan dan penyerapan laser), serta meningkatkan bahan pelapis dengan tingkat penyerapan yang tinggi. Dengan menyerap energi laser dan melebur serta menguapkannya melalui bahan dengan tingkat penyerapan tinggi, panas laser ditransmisikan ke bahan dasar untuk meningkatkan tingkat penyerapan bahan dan mengurangi pengelasan virtual yang disebabkan oleh fenomena refleksi tinggi.
Waktu posting: 23 November 2023
