Sự tương tác giữa laser và vật liệu liên quan đến nhiều hiện tượng và đặc tính vật lý. Ba bài viết tiếp theo sẽ giới thiệu ba hiện tượng vật lý chính liên quan đến quá trình hàn laser nhằm giúp các đồng nghiệp hiểu rõ hơn về quá trình hàn laser.quá trình hàn laser: được chia thành tốc độ hấp thụ tia laser và sự thay đổi trạng thái, hiệu ứng plasma và lỗ khóa. Lần này, chúng tôi sẽ cập nhật mối quan hệ giữa những thay đổi về trạng thái của tia laser và vật liệu cũng như tốc độ hấp thụ.
Sự thay đổi trạng thái của vật chất do sự tương tác giữa tia laser và vật liệu
Quá trình xử lý laser của vật liệu kim loại chủ yếu dựa trên quá trình xử lý nhiệt các hiệu ứng quang nhiệt. Khi chiếu tia laser lên bề mặt vật liệu, nhiều thay đổi khác nhau sẽ xảy ra trên diện tích bề mặt của vật liệu ở các mật độ năng lượng khác nhau. Những thay đổi này bao gồm tăng nhiệt độ bề mặt, nóng chảy, bay hơi, hình thành lỗ khóa và tạo ra plasma. Hơn nữa, những thay đổi về trạng thái vật lý của diện tích bề mặt vật liệu ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp thụ tia laser của vật liệu. Với sự gia tăng mật độ năng lượng và thời gian tác dụng, vật liệu kim loại sẽ trải qua những thay đổi về trạng thái sau:
Khinăng lượng lasermật độ thấp (<10 ^ 4w/cm ^ 2) và thời gian chiếu xạ ngắn, năng lượng laser được kim loại hấp thụ chỉ có thể làm cho nhiệt độ của vật liệu tăng từ bề mặt vào bên trong, còn pha rắn không thay đổi . Nó chủ yếu được sử dụng để ủ một phần và xử lý làm cứng chuyển pha, với các dụng cụ, bánh răng và vòng bi chiếm đa số;
Với sự gia tăng mật độ năng lượng laser (10^4-10^6w/cm^2) và thời gian chiếu xạ kéo dài, bề mặt vật liệu dần dần tan chảy. Khi năng lượng đầu vào tăng lên, bề mặt phân cách lỏng-rắn dần dần di chuyển về phía phần sâu của vật liệu. Quá trình vật lý này chủ yếu được sử dụng để nấu chảy lại bề mặt, tạo hợp kim, bọc và hàn dẫn nhiệt kim loại.
Bằng cách tăng thêm mật độ năng lượng (>10^6w/cm^2) và kéo dài thời gian tác dụng của tia laser, bề mặt vật chất không chỉ tan chảy mà còn bốc hơi, các chất bay hơi tập trung lại gần bề mặt vật liệu và ion hóa yếu tạo thành plasma. Lớp plasma mỏng này giúp vật liệu hấp thụ tia laser; Dưới áp suất bay hơi và giãn nở, bề mặt chất lỏng biến dạng và tạo thành các vết rỗ. Giai đoạn này có thể được sử dụng để hàn laser, thường là trong hàn nối dẫn nhiệt của các kết nối vi mô trong phạm vi 0,5mm.
Bằng cách tăng thêm mật độ năng lượng (>10^7w/cm^2) và kéo dài thời gian chiếu xạ, bề mặt vật liệu trải qua quá trình hóa hơi mạnh, tạo thành plasma có mức độ ion hóa cao. Lớp plasma dày đặc này có tác dụng che chắn tia laser, làm giảm đáng kể mật độ năng lượng của tia laser chiếu vào vật liệu. Đồng thời, dưới lực phản ứng hơi lớn, các lỗ nhỏ, thường được gọi là lỗ khóa, được hình thành bên trong kim loại nóng chảy. Sự tồn tại của lỗ khóa có lợi cho vật liệu hấp thụ tia laser và giai đoạn này có thể được sử dụng cho phản ứng tổng hợp sâu bằng laser hàn, cắt và khoan, làm cứng va đập, v.v.
Trong các điều kiện khác nhau, các bước sóng chiếu laser khác nhau trên các vật liệu kim loại khác nhau sẽ dẫn đến các giá trị mật độ năng lượng cụ thể ở từng giai đoạn.
Xét về sự hấp thụ tia laser của vật liệu, sự bay hơi của vật liệu là một ranh giới. Khi vật liệu không trải qua quá trình hóa hơi, dù ở pha rắn hay lỏng, độ hấp thụ tia laser của nó chỉ thay đổi chậm khi nhiệt độ bề mặt tăng; Một khi vật liệu bay hơi và hình thành plasma và lỗ khóa, khả năng hấp thụ tia laser của vật liệu sẽ đột ngột thay đổi.
Như được hiển thị trong Hình 2, tốc độ hấp thụ của tia laser trên bề mặt vật liệu trong quá trình hàn laser thay đổi theo mật độ năng lượng laser và nhiệt độ bề mặt vật liệu. Khi vật liệu không bị nóng chảy, tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với tia laser tăng chậm khi nhiệt độ bề mặt vật liệu tăng. Khi mật độ năng lượng lớn hơn (10^6w/cm^2), vật liệu bốc hơi dữ dội, tạo thành lỗ khóa. Tia laser đi vào lỗ khóa để phản xạ và hấp thụ nhiều lần, dẫn đến tăng đáng kể tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với tia laser và tăng đáng kể độ sâu nóng chảy.
Sự hấp thụ tia Laser của vật liệu kim loại – Bước sóng
Hình trên cho thấy đường cong mối quan hệ giữa độ phản xạ, độ hấp thụ và bước sóng của các kim loại thường được sử dụng ở nhiệt độ phòng. Trong vùng hồng ngoại, tốc độ hấp thụ giảm và độ phản xạ tăng khi bước sóng tăng. Hầu hết các kim loại phản xạ mạnh ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 10,6um (CO2) trong khi phản xạ yếu ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 1,06um (1060nm). Vật liệu kim loại có tỷ lệ hấp thụ cao hơn đối với các tia laser bước sóng ngắn, chẳng hạn như ánh sáng xanh lam và xanh lục.
Sự hấp thụ tia Laser của vật liệu kim loại - Nhiệt độ vật liệu và mật độ năng lượng laser
Lấy hợp kim nhôm làm ví dụ, khi vật liệu ở dạng rắn, tỷ lệ hấp thụ tia laser khoảng 5-7%, tỷ lệ hấp thụ chất lỏng lên tới 25-35% và có thể đạt trên 90% ở trạng thái lỗ khóa.
Tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với tia laser tăng khi nhiệt độ tăng. Tỷ lệ hấp thụ của vật liệu kim loại ở nhiệt độ phòng rất thấp. Khi nhiệt độ tăng lên gần điểm nóng chảy, tốc độ hấp thụ của nó có thể đạt tới 40% ~ 60%. Nếu nhiệt độ gần điểm sôi, tỷ lệ hấp thụ của nó có thể đạt tới 90%.
Sự hấp thụ tia Laser của vật liệu kim loại - Điều kiện bề mặt
Tốc độ hấp thụ thông thường được đo bằng bề mặt kim loại nhẵn, nhưng trong các ứng dụng thực tế của quá trình gia nhiệt bằng laser, thường cần phải tăng tốc độ hấp thụ của một số vật liệu có độ phản xạ cao (nhôm, đồng) để tránh hàn sai do phản xạ cao;
Có thể sử dụng các phương pháp sau:
1. Áp dụng các quy trình xử lý trước bề mặt thích hợp để cải thiện độ phản xạ của laser: quá trình oxy hóa nguyên mẫu, phun cát, làm sạch bằng laser, mạ niken, mạ thiếc, phủ than chì, v.v. đều có thể cải thiện tốc độ hấp thụ tia laser của vật liệu;
Cốt lõi là tăng độ nhám của bề mặt vật liệu (có lợi cho nhiều phản xạ và hấp thụ tia laser), cũng như tăng vật liệu phủ có tốc độ hấp thụ cao. Bằng cách hấp thụ năng lượng laser, làm tan chảy và làm bay hơi nó thông qua các vật liệu có tốc độ hấp thụ cao, nhiệt laser được truyền đến vật liệu cơ bản để cải thiện tốc độ hấp thụ vật liệu và giảm hiện tượng hàn ảo do hiện tượng phản xạ cao gây ra.
Thời gian đăng: 23-11-2023
