معدل امتصاص الليزر والتغيرات في حالة المادة من تفاعل مادة الليزر

يتضمن التفاعل بين الليزر والمواد العديد من الظواهر والخصائص الفيزيائية. ستقدم المقالات الثلاثة التالية الظواهر الفيزيائية الرئيسية الثلاثة المتعلقة بعملية اللحام بالليزر من أجل تزويد الزملاء بفهم أوضح لعملية اللحام بالليزر.عملية اللحام بالليزر: مقسمة إلى معدل امتصاص الليزر والتغيرات في الحالة والبلازما وتأثير ثقب المفتاح. هذه المرة، سنقوم بتحديث العلاقة بين التغيرات في حالة الليزر والمواد ومعدل الامتصاص.

التغيرات في حالة المادة الناتجة عن التفاعل بين الليزر والمواد

تعتمد المعالجة بالليزر للمواد المعدنية بشكل أساسي على المعالجة الحرارية للتأثيرات الحرارية الضوئية. عند تطبيق إشعاع الليزر على سطح المادة، ستحدث تغييرات مختلفة في مساحة سطح المادة عند كثافات طاقة مختلفة. وتشمل هذه التغييرات ارتفاع درجة حرارة السطح، والذوبان، والتبخر، وتشكيل ثقب المفتاح، وتوليد البلازما. علاوة على ذلك، فإن التغيرات في الحالة الفيزيائية لمساحة سطح المادة تؤثر بشكل كبير على امتصاص المادة لليزر. مع زيادة كثافة الطاقة ووقت العمل، ستخضع المادة المعدنية للتغيرات التالية في الحالة:

عندماقوة الليزرالكثافة منخفضة (<10 ^ 4 واط/سم ^ 2) ووقت التشعيع قصير، وطاقة الليزر التي يمتصها المعدن يمكن أن تؤدي فقط إلى ارتفاع درجة حرارة المادة من السطح إلى الداخل، لكن الطور الصلب يبقى دون تغيير . يتم استخدامه بشكل أساسي لتليين الأجزاء ومعالجة تصلب تحويل الطور، مع كون الأدوات والتروس والمحامل هي الأغلبية؛

مع زيادة كثافة طاقة الليزر (10 ^ 4-10 ^ 6 واط/سم ^ 2) وإطالة وقت التشعيع، يذوب سطح المادة تدريجيًا. مع زيادة الطاقة المدخلة، تتحرك الواجهة الصلبة والسائلة تدريجيًا نحو الجزء العميق من المادة. تُستخدم هذه العملية الفيزيائية بشكل أساسي في إعادة صهر الأسطح وصناعة السبائك والكسوة ولحام المعادن بالتوصيل الحراري.

من خلال زيادة كثافة الطاقة (> 10 ^ 6 واط/سم ^ 2) وإطالة وقت عمل الليزر، لا يذوب سطح المادة فحسب، بل يتبخر أيضًا، وتتجمع المواد المتبخرة بالقرب من سطح المادة وتتأين بشكل ضعيف لتكوين البلازما. تساعد هذه البلازما الرقيقة المادة على امتصاص الليزر؛ تحت ضغط التبخر والتمدد، يتشوه سطح السائل ويشكل حفرًا. يمكن استخدام هذه المرحلة للحام بالليزر، عادةً في لحام التوصيل الحراري للتوصيلات الدقيقة في حدود 0.5 مم.

من خلال زيادة كثافة الطاقة (> 10 ^ 7 واط/سم ^ 2) وإطالة وقت التشعيع، يخضع سطح المادة لتبخير قوي، مما يشكل بلازما بدرجة تأين عالية. تتمتع هذه البلازما الكثيفة بتأثير درع على الليزر، مما يقلل بشكل كبير من كثافة طاقة الليزر الساقط على المادة. وفي الوقت نفسه، تحت قوة رد فعل بخار كبيرة، تتشكل ثقوب صغيرة، تُعرف عادة باسم ثقوب المفاتيح، داخل المعدن المنصهر، ووجود ثقوب المفاتيح مفيد للمادة لامتصاص الليزر، ويمكن استخدام هذه المرحلة للاندماج العميق بالليزر اللحام، القطع والحفر، تصلب الصدمات، إلخ.

في ظل ظروف مختلفة، ستؤدي الأطوال الموجية المختلفة لإشعاع الليزر على مواد معدنية مختلفة إلى قيم محددة لكثافة الطاقة في كل مرحلة.

من حيث امتصاص المواد لليزر، فإن تبخر المواد يمثل حدًا. عندما لا تخضع المادة للتبخير، سواء في الحالة الصلبة أو السائلة، فإن امتصاصها لليزر يتغير ببطء فقط مع زيادة درجة حرارة السطح؛ بمجرد أن تتبخر المادة وتشكل البلازما وثقوب المفاتيح، فإن امتصاص المادة لليزر سيتغير فجأة.

كما هو مبين في الشكل 2، فإن معدل امتصاص الليزر على سطح المادة أثناء اللحام بالليزر يختلف باختلاف كثافة طاقة الليزر ودرجة حرارة سطح المادة. عندما لا يتم ذوبان المادة، فإن معدل امتصاص المادة لليزر يزيد ببطء مع زيادة درجة حرارة سطح المادة. عندما تكون كثافة الطاقة أكبر من (10^6w/cm^2)، تتبخر المادة بعنف، وتشكل ثقب المفتاح. يدخل الليزر إلى ثقب المفتاح ليحدث انعكاسات وامتصاصات متعددة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في معدل امتصاص المادة لليزر وزيادة كبيرة في عمق الذوبان.

امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – الطول الموجي

يوضح الشكل أعلاه منحنى العلاقة بين الانعكاسية والامتصاصية والطول الموجي للمعادن شائعة الاستخدام في درجة حرارة الغرفة. وفي منطقة الأشعة تحت الحمراء، يتناقص معدل الامتصاص وتزداد الانعكاسية مع زيادة الطول الموجي. تعكس معظم المعادن بقوة ضوء الأشعة تحت الحمراء ذو ​​الطول الموجي 10.6 ميكرومتر (CO2) بينما تعكس بشكل ضعيف ضوء الأشعة تحت الحمراء ذو ​​الطول الموجي 1.06 ميكرومتر (1060 نانومتر). تتمتع المواد المعدنية بمعدلات امتصاص أعلى لأشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير، مثل الضوء الأزرق والأخضر.

امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – درجة حرارة المادة وكثافة طاقة الليزر

بأخذ سبائك الألومنيوم كمثال، عندما تكون المادة صلبة، فإن معدل امتصاص الليزر يكون حوالي 5-7%، ومعدل امتصاص السائل يصل إلى 25-35%، ويمكن أن يصل إلى أكثر من 90% في حالة ثقب المفتاح.

ويزداد معدل امتصاص المادة لليزر مع زيادة درجة الحرارة. معدل امتصاص المواد المعدنية في درجة حرارة الغرفة منخفض جدًا. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى ما يقرب من نقطة الانصهار، يمكن أن يصل معدل الامتصاص إلى 40% ~ 60%. إذا كانت درجة الحرارة قريبة من نقطة الغليان، فإن معدل امتصاصه يمكن أن يصل إلى 90%.

امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – حالة السطح

يتم قياس معدل الامتصاص التقليدي باستخدام سطح معدني أملس، ولكن في التطبيقات العملية للتسخين بالليزر، يكون من الضروري عادةً زيادة معدل الامتصاص لبعض المواد عالية الانعكاس (الألومنيوم والنحاس) لتجنب اللحام الزائف الناتج عن الانعكاس العالي؛

يمكن استخدام الطرق التالية:

1. اعتماد عمليات المعالجة المسبقة المناسبة للسطح لتحسين انعكاس الليزر: أكسدة النموذج الأولي، السفع الرملي، التنظيف بالليزر، طلاء النيكل، طلاء القصدير، طلاء الجرافيت، وما إلى ذلك يمكن أن يحسن معدل امتصاص المادة لليزر؛

جوهر الأمر هو زيادة خشونة سطح المادة (التي تساعد على انعكاس وامتصاص الليزر المتعدد)، بالإضافة إلى زيادة مادة الطلاء بمعدل امتصاص عالي. من خلال امتصاص طاقة الليزر وصهرها وتطايرها من خلال مواد ذات معدل امتصاص عالي، تنتقل حرارة الليزر إلى المادة الأساسية لتحسين معدل امتصاص المادة وتقليل اللحام الافتراضي الناتج عن ظاهرة الانعكاس العالي.