Лазер мен материалдардың өзара әрекеттесуі көптеген физикалық құбылыстар мен сипаттамаларды қамтиды. Келесі үш мақалада әріптестерге лазерлік дәнекерлеу процесін анық түсіну үшін лазерлік дәнекерлеу процесіне қатысты үш негізгі физикалық құбылыс таныстырылады.лазерлік дәнекерлеу процесі: лазердің жұтылу жылдамдығы және күй өзгерістері, плазма және кілт тесігінің әсері болып бөлінеді. Бұл жолы біз лазер мен материалдар күйінің өзгерістері мен жұтылу жылдамдығы арасындағы байланысты жаңартамыз.
Лазер мен материалдардың өзара әрекеттесуінен туындаған зат күйінің өзгеруі
Металл материалдарды лазерлік өңдеу негізінен фототермиялық әсерлерді термиялық өңдеуге негізделген. Лазерлік сәулелендіру материал бетіне қолданылған кезде, әртүрлі қуат тығыздығында материалдың беткі ауданында әртүрлі өзгерістер болады. Бұл өзгерістерге беткі температураның көтерілуі, балқу, булану, кілт тесіктерінің пайда болуы және плазманың пайда болуы жатады. Сонымен қатар, материал беткі ауданының физикалық күйінің өзгеруі материалдың лазерді сіңіруіне үлкен әсер етеді. Қуат тығыздығы мен әсер ету уақытының артуымен металл материал келесі күй өзгерістеріне ұшырайды:
Қашанлазерлік қуаттығыздығы төмен (<10 ^ 4вт/см ^ 2) және сәулелендіру уақыты қысқа, металл сіңіретін лазер энергиясы материалдың температурасын тек бетінен ішке қарай көтеруге ғана әкелуі мүмкін, бірақ қатты фаза өзгеріссіз қалады. Ол негізінен бөлшектерді күйдіру және фазалық трансформацияны қатайту үшін қолданылады, құралдар, берілістер және мойынтіректер басым;
Лазер қуатының тығыздығының артуымен (10 ^ 4-10 ^ 6вт/см ^ 2) және сәулелену уақытының ұзаруымен материалдың беті біртіндеп ериді. Кіріс энергиясы артқан сайын сұйық-қатты беткей біртіндеп материалдың терең бөлігіне қарай жылжиды. Бұл физикалық процесс негізінен металдарды беттік қайта балқыту, қорытпалау, қаптау және жылу өткізгіштігін дәнекерлеу үшін қолданылады.
Қуат тығыздығын одан әрі арттыру (>10 ^ 6вт/см ^ 2) және лазердің әсер ету уақытын ұзарту арқылы материал беті тек балқып қана қоймай, сонымен қатар буға айналады, ал буланған заттар материал бетіне жақын жиналып, плазма түзу үшін әлсіз иондалады. Бұл жұқа плазма материалдың лазерді сіңіруіне көмектеседі; булану және кеңею қысымымен сұйық бет деформацияланып, шұңқырлар түзеді. Бұл кезеңді лазерлік дәнекерлеу үшін, әдетте 0,5 мм ішіндегі микро қосылыстарды жылу өткізгіштікпен дәнекерлеу кезінде пайдалануға болады.
Қуат тығыздығын одан әрі арттыру (>10 ^ 7вт/см ^ 2) және сәулелену уақытын ұзарту арқылы материал беті күшті булануға ұшырайды, бұл жоғары иондану дәрежесі бар плазма түзеді. Бұл тығыз плазма лазерге қорғаныс әсерін тигізеді, материалға түсетін лазердің энергия тығыздығын айтарлықтай төмендетеді. Сонымен қатар, үлкен бу реакция күшінің әсерінен балқытылған металдың ішінде кішігірім тесіктер, әдетте кілт тесіктері деп аталады, пайда болады. Кілт тесіктерінің болуы материалдың лазерді сіңіруіне пайдалы, және бұл кезеңді лазерлік терең балқыту дәнекерлеуі, кесу және бұрғылау, соққымен беріктену және т.б. үшін пайдалануға болады.
Әртүрлі жағдайларда, әртүрлі металл материалдарына лазерлік сәулеленудің әртүрлі толқын ұзындықтары әр кезеңде қуат тығыздығының нақты мәндеріне әкеледі.
Лазердің материалдармен жұтылуы тұрғысынан материалдардың булануы шекара болып табылады. Материал қатты немесе сұйық фазада буланбаған кезде, оның лазердің жұтылуы беткі температураның жоғарылауымен баяу ғана өзгереді; материал буланып, плазма мен кілт тесіктерін түзгеннен кейін, материалдың лазердің жұтылуы кенеттен өзгереді.
2-суретте көрсетілгендей, лазерлік дәнекерлеу кезінде материал бетіндегі лазердің сіңіру жылдамдығы лазер қуатының тығыздығына және материал бетінің температурасына байланысты өзгереді. Материал балқытылмаған кезде, материалдың лазерге сіңіру жылдамдығы материал бетінің температурасының жоғарылауымен баяу артады. Қуат тығыздығы (10 ^ 6вт/см ^ 2)-ден жоғары болған кезде, материал қатты буланып, кілт тесігін түзеді. Лазер кілт тесігіне бірнеше рет шағылысу және сіңіру үшін кіреді, нәтижесінде материалдың лазерге сіңіру жылдамдығы айтарлықтай артады және балқу тереңдігі айтарлықтай артады.
Металл материалдарымен лазердің жұтылуы – толқын ұзындығы
Жоғарыдағы суретте бөлме температурасында жиі қолданылатын металдардың шағылыстыруы, сіңіруі және толқын ұзындығы арасындағы байланыс қисығы көрсетілген. Инфрақызыл аймақта жұтылу жылдамдығы төмендейді және шағылыстыру толқын ұзындығының артуымен артады. Көптеген металдар 10,6 мкм (CO2) толқын ұзындығындағы инфрақызыл сәулені күшті шағылыстырады, ал 1,06 мкм (1060 нм) толқын ұзындығындағы инфрақызыл сәулені әлсіз шағылыстырады. Металл материалдары көк және жасыл жарық сияқты қысқа толқын ұзындығындағы лазерлер үшін жоғары жұтылу жылдамдығына ие.
Металл материалдармен лазердің жұтылуы – материал температурасы және лазер энергиясының тығыздығы
Мысал ретінде алюминий қорытпасын алсақ, материал қатты болған кезде лазердің сіңіру жылдамдығы шамамен 5-7%, ал сұйықтықтың сіңіру жылдамдығы 25-35% дейін жетеді, ал кілт тесігі күйінде 90%-дан астамға жетуі мүмкін.
Лазерге материалдың сіңіру жылдамдығы температураның жоғарылауымен артады. Бөлме температурасында металл материалдардың сіңіру жылдамдығы өте төмен. Температура балқу температурасына жақын болған кезде, оның сіңіру жылдамдығы 40%-60%-ға жетуі мүмкін. Егер температура қайнау температурасына жақын болса, оның сіңіру жылдамдығы 90%-ға жетуі мүмкін.
Металл материалдарымен лазердің жұтылуы – бетінің жағдайы
Дәстүрлі сіңіру жылдамдығы тегіс металл бетін пайдаланып өлшенеді, бірақ лазерлік қыздырудың практикалық қолданылуында, жоғары шағылысудан туындаған жалған дәнекерлеуді болдырмау үшін, әдетте, белгілі бір жоғары шағылысу материалдарының (алюминий, мыс) сіңіру жылдамдығын арттыру қажет;
Келесі әдістерді қолдануға болады:
1. Лазердің шағылыстыру қабілетін жақсарту үшін тиісті бетті алдын ала өңдеу процестерін қолдану: прототипті тотығу, құммен өңдеу, лазермен тазалау, никельмен қаптау, қалайымен қаптау, графитпен қаптау және т.б. лазердің материалдың сіңіру жылдамдығын жақсарта алады;
Негізгі мақсат - материал бетінің кедір-бұдырлығын арттыру (бұл бірнеше лазерлік шағылысу мен сіңіруге ықпал етеді), сондай-ақ жоғары сіңіру жылдамдығы бар жабын материалын арттыру. Лазер энергиясын сіңіру және оны жоғары сіңіру жылдамдығы бар материалдар арқылы балқыту және ұшып кету арқылы лазерлік жылу негізгі материалға беріліп, материалдың сіңіру жылдамдығын жақсартады және жоғары шағылысу құбылысынан туындаған виртуалды дәнекерлеуді азайтады.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 23 қараша
