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 vấn đề này.quy trình hàn laserBài viết này được chia thành hai phần: tốc độ hấp thụ laser và sự thay đổi trạng thái, hiệu ứng plasma và hiệu ứng lỗ khóa. Lần này, chúng ta sẽ cập nhật mối quan hệ giữa sự thay đổi trạng thái của laser và vật liệu với tốc độ hấp thụ.
Sự thay đổi trạng thái vật chất do tương tác giữa tia laser và vật liệu gây ra.
Gia công laser các vật liệu kim loại chủ yếu dựa trên quá trình xử lý nhiệt bằng hiệu ứng quang nhiệt. Khi chiếu tia laser lên bề mặt vật liệu, nhiều thay đổi sẽ xảy ra trên bề mặt vật liệu ở các mật độ công suất khác nhau. Những thay đổi này bao gồm tăng nhiệt độ bề mặt, nóng chảy, bay hơi, hình thành lỗ khóa và tạo plasma. Hơn nữa, những thay đổi về trạng thái vật lý trên bề mặt vật liệu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp thụ laser của vật liệu. Khi mật độ công suất và thời gian tác động tăng lên, vật liệu kim loại sẽ trải qua các thay đổi trạng thái sau:
Khicông suất 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, nhưng pha rắn vẫn không thay đổi. Nó chủ yếu được sử dụng để ủ chi tiết và xử lý làm cứng chuyển pha, với các dụng cụ, bánh răng và ổ bi là những ứng dụng chính;
Khi tăng mật độ công suất laser (10^4-10^6 W/cm^2) và kéo dài thời gian chiếu xạ, bề mặt vật liệu dần dần tan chảy. Khi năng lượng đầu vào tăng lên, ranh giới lỏng-rắn dần dần dịch chuyển vào sâu bên trong vật liệu. Quá trình vật lý này chủ yếu được sử dụng để làm nóng chảy lại bề mặt, tạo hợp kim, phủ lớp và hàn dẫn nhiệt kim loại.
Bằng cách tăng thêm mật độ công suất (>10^6 W/cm^2) và kéo dài thời gian tác động của laser, bề mặt vật liệu không chỉ nóng chảy mà còn bay hơi, và các chất bay hơi tập trung gần bề mặt vật liệu và bị ion hóa yếu để tạo thành plasma. Lớp plasma mỏng này giúp vật liệu hấp thụ laser; dưới áp lực bay hơi và giãn nở, bề mặt chất lỏng bị biến dạng và tạo thành các vết lõm. Giai đoạn này có thể được sử dụng để hàn laser, thường là trong hàn dẫn nhiệt nối các mối nối siêu nhỏ trong phạm vi 0,5 mm.
Bằng cách tăng thêm mật độ công suất (>10^7 W/cm^2) và kéo dài thời gian chiếu xạ, bề mặt vật liệu trải qua quá trình bốc hơi mạnh, tạo thành plasma có độ ion hóa cao. 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 tác động của 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 các lỗ khóa có lợi cho việc hấp thụ tia laser của vật liệu, và giai đoạn này có thể được sử dụng cho hàn nóng chảy sâu bằng laser, cắt và khoan, tôi cứng bằng va đập, v.v.
Trong các điều kiện khác nhau, các bước sóng chiếu xạ laser khác nhau lên các vật liệu kim loại khác nhau sẽ tạo ra các giá trị mật độ công suất cụ thể ở mỗi giai đoạn.
Về khả năng hấp thụ laser của vật liệu, sự bay hơi của vật liệu là một ranh giới. Khi vật liệu không trải qua quá trình bay hơi, dù ở trạng thái rắn hay lỏng, khả năng hấp thụ laser của nó chỉ thay đổi chậm khi nhiệt độ bề mặt tăng lên; một khi vật liệu bay hơi và tạo thành plasma và các lỗ hổng, khả năng hấp thụ laser của vật liệu sẽ thay đổi đột ngột.
Như thể hiện trong Hình 2, tốc độ hấp thụ laser trên bề mặt vật liệu trong quá trình hàn laser thay đổi theo mật độ công suất laser và nhiệt độ bề mặt vật liệu. Khi vật liệu chưa nóng chảy, tốc độ hấp thụ laser của vật liệu tăng dần khi nhiệt độ bề mặt vật liệu tăng. Khi mật độ công suất lớn hơn (10^6 W/cm^2), vật liệu bốc hơi mạnh, tạo thành một lỗ hình chìa khóa. Laser đi vào lỗ hình chìa khóa để phản xạ và hấp thụ nhiều lần, dẫn đến tốc độ hấp thụ laser của vật liệu tăng đáng kể và độ sâu nóng chảy cũng tăng đáng kể.
Sự hấp thụ tia laser bởi vật liệu kim loại – Bước sóng
Hình trên thể hiện đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa độ phản xạ, độ hấp thụ và bước sóng của các kim loại thường dùng ở nhiệt độ phòng. Trong vùng hồng ngoại, tỷ lệ 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 10,6 µm (CO2) trong khi phản xạ yếu ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 1,06 µm (1060 nm). 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 bởi 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 trạng thái rắn, tỷ lệ hấp thụ laser vào khoảng 5-7%, tỷ lệ hấp thụ ở trạng thái lỏng lên đến 25-35%, và có thể đạt trên 90% ở trạng thái lỗ khóa.
Tỷ lệ hấp thụ tia laser của vật liệu tăng lên 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, tỷ lệ hấp thụ có thể đạt 40%~60%. Nếu nhiệt độ gần điểm sôi, tỷ lệ hấp thụ có thể lên tới 90%.
Sự hấp thụ tia laser bởi vật liệu kim loại – Điều kiện bề mặt
Tốc độ hấp thụ thông thường được đo bằng cách sử dụng bề mặt kim loại nhẵn, nhưng trong các ứng dụng thực tế của 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 hiện tượng hàn sai do độ phản xạ cao gây ra;
Có thể sử dụng các phương pháp sau:
1. Áp dụng các quy trình xử lý bề mặt thích hợp để cải thiện khả năng phản xạ laser: oxy hóa nguyên mẫu, phun cát, làm sạch bằng laser, mạ niken, mạ thiếc, phủ than chì, v.v. đều có thể cải thiện tỷ lệ hấp thụ laser của vật liệu;
Cốt lõi của phương pháp này là tăng độ nhám của bề mặt vật liệu (điều này có lợi cho sự phản xạ và hấp thụ tia laser nhiều lần), cũng như tăng lượng vật liệu phủ có tỷ lệ hấp thụ cao. Bằng cách hấp thụ năng lượng laser, làm tan chảy và bay hơi năng lượng đó thông qua các vật liệu có tỷ lệ hấp thụ cao, nhiệt lượng laser được truyền đến vật liệu nền để cải thiện tỷ lệ hấp thụ của vật liệu và giảm hiện tượng hàn ảo do hiện tượng phản xạ cao gây ra.
Thời gian đăng bài: 23/11/2023
