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.proses pengelasan laser: dibagi menjadi tingkat penyerapan laser dan perubahan keadaan, plasma, dan efek lubang kunci. Kali ini, kita akan memperbarui hubungan antara perubahan keadaan laser dan material serta tingkat penyerapan.
Perubahan keadaan materi yang disebabkan oleh interaksi antara laser dan material.
Pemrosesan laser pada material logam terutama didasarkan pada pemrosesan termal efek fototermal. Ketika penyinaran laser diterapkan pada permukaan material, berbagai perubahan akan terjadi pada area permukaan material pada kepadatan daya yang berbeda. Perubahan ini meliputi kenaikan suhu permukaan, peleburan, penguapan, pembentukan lubang kunci, dan pembangkitan plasma. Selain itu, perubahan keadaan fisik area permukaan material sangat memengaruhi penyerapan laser oleh material. Dengan meningkatnya kepadatan daya dan waktu aksi, material logam akan mengalami perubahan keadaan sebagai berikut:
Ketikadaya laserKepadatannya rendah (<10^4w/cm^2) dan waktu penyinarannya singkat, energi laser yang diserap oleh logam hanya dapat menyebabkan suhu material naik dari permukaan ke bagian dalam, tetapi fase padat tetap tidak berubah. Metode ini terutama digunakan untuk perlakuan anil bagian dan pengerasan transformasi fasa, dengan sebagian besar digunakan pada perkakas, roda gigi, dan bantalan;
Dengan meningkatnya kepadatan daya laser (10^4-10^6 W/cm²) dan perpanjangan waktu penyinaran, permukaan material secara bertahap meleleh. Seiring peningkatan energi masukan, antarmuka cair-padat secara bertahap bergerak menuju bagian dalam material. Proses fisik ini terutama digunakan untuk peleburan ulang 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 ekspansi, permukaan cairan berubah bentuk dan membentuk lubang. Tahap ini dapat digunakan untuk pengelasan laser, biasanya dalam pengelasan konduktivitas termal sambungan mikro dalam jarak 0,5 mm.
Dengan meningkatkan lebih lanjut kepadatan daya (>10^7w/cm^2) dan memperpanjang waktu penyinaran, permukaan material mengalami penguapan yang kuat, membentuk plasma dengan derajat ionisasi yang tinggi. Plasma padat ini memiliki efek perisai pada laser, sangat mengurangi kepadatan energi laser yang mengenai material. Pada saat yang sama, di bawah gaya reaksi uap yang besar, lubang-lubang kecil, yang biasa dikenal sebagai lubang kunci, terbentuk di dalam logam yang meleleh. Keberadaan lubang kunci bermanfaat bagi material untuk menyerap laser, dan tahap ini dapat digunakan untuk pengelasan fusi dalam laser, pemotongan dan pengeboran, pengerasan benturan, dll.
Dalam kondisi yang berbeda, panjang gelombang penyinaran laser yang berbeda pada material logam yang berbeda akan menghasilkan nilai kepadatan daya tertentu pada setiap tahap.
Dalam hal penyerapan laser oleh material, penguapan material merupakan suatu batasan. Ketika material tidak mengalami penguapan, baik dalam fase padat maupun cair, penyerapan lasernya hanya berubah perlahan seiring dengan peningkatan suhu permukaan; begitu material menguap dan membentuk plasma serta lubang kunci, penyerapan laser material akan berubah secara tiba-tiba.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, laju penyerapan laser pada permukaan material selama pengelasan laser bervariasi dengan kepadatan daya laser dan suhu permukaan material. Ketika material tidak meleleh, laju penyerapan material terhadap laser perlahan meningkat seiring dengan peningkatan suhu permukaan material. Ketika kepadatan daya lebih besar dari (10^6 W/cm²), material menguap dengan hebat, membentuk lubang kunci. Laser memasuki lubang kunci untuk beberapa kali pantulan dan penyerapan, yang mengakibatkan peningkatan signifikan pada laju penyerapan material terhadap laser dan peningkatan signifikan pada kedalaman pelelehan.
Penyerapan Laser oleh Material Logam – Panjang Gelombang
Gambar di atas menunjukkan kurva hubungan antara reflektivitas, absorbansi, dan panjang gelombang logam yang umum digunakan pada suhu kamar. Di wilayah inframerah, laju penyerapan menurun dan reflektivitas meningkat seiring dengan peningkatan panjang gelombang. Sebagian besar logam memantulkan cahaya inframerah dengan panjang gelombang 10,6 µm (CO2) dengan kuat, sementara memantulkan cahaya inframerah dengan panjang gelombang 1,06 µm (1060 nm) dengan lemah. Material logam memiliki laju penyerapan yang lebih tinggi untuk laser dengan panjang gelombang pendek, seperti cahaya biru dan hijau.
Penyerapan Laser oleh Material Logam – Suhu Material dan Kepadatan Energi Laser
Mengambil contoh paduan aluminium, ketika material dalam keadaan padat, tingkat penyerapan laser sekitar 5-7%, tingkat penyerapan dalam keadaan cair mencapai 25-35%, dan dapat mencapai lebih dari 90% dalam keadaan berbentuk lubang kunci.
Tingkat penyerapan material terhadap laser meningkat seiring dengan peningkatan suhu. Tingkat penyerapan material logam pada suhu kamar sangat rendah. Ketika suhu naik mendekati titik leleh, tingkat penyerapannya dapat mencapai 40%~60%. Jika suhu mendekati titik didih, tingkat penyerapannya dapat mencapai hingga 90%.
Penyerapan Laser oleh Material Logam – Kondisi Permukaan
Tingkat penyerapan konvensional diukur menggunakan permukaan logam yang halus, tetapi dalam aplikasi praktis pemanasan laser, biasanya perlu untuk meningkatkan tingkat penyerapan bahan-bahan dengan refleksi tinggi tertentu (aluminium, tembaga) untuk menghindari kesalahan penyolderan yang disebabkan oleh refleksi tinggi;
Metode-metode berikut dapat digunakan:
1. Menerapkan proses pra-perlakuan permukaan yang tepat untuk meningkatkan reflektivitas laser: oksidasi prototipe, sandblasting, pembersihan laser, pelapisan nikel, pelapisan timah, pelapisan grafit, dll., semuanya dapat meningkatkan tingkat penyerapan laser oleh material;
Intinya adalah meningkatkan kekasaran permukaan material (yang kondusif untuk pantulan dan penyerapan laser ganda), serta meningkatkan material pelapis dengan tingkat penyerapan tinggi. Dengan menyerap energi laser dan melelehkan serta menguapkannya melalui material dengan tingkat penyerapan tinggi, panas laser ditransmisikan ke material dasar untuk meningkatkan tingkat penyerapan material dan mengurangi pengelasan virtual yang disebabkan oleh fenomena pantulan tinggi.
Waktu posting: 23 November 2023
