קצב ספיגת הלייזר ושינויים במצב החומר של אינטראקציה בין חומרי הלייזר

האינטראקציה בין לייזר לחומרים כרוכה בתופעות ומאפיינים פיזיקליים רבים. שלושת המאמרים הבאים יציגו את שלוש התופעות הפיזיקליות המרכזיות הקשורות לתהליך ריתוך בלייזר על מנת לספק לעמיתים הבנה ברורה יותר שלתהליך ריתוך בלייזר: מחולק לקצב ספיגת לייזר ושינויים במצב, אפקט פלזמה וחור המנעול. הפעם נעדכן את הקשר בין שינויים במצב הלייזר והחומרים לבין קצב הספיגה.

שינויים במצב החומר הנגרמים על ידי האינטראקציה בין לייזר לחומרים

עיבוד הלייזר של חומרי מתכת מתבסס בעיקר על עיבוד תרמי של אפקטים פוטותרמיים. כאשר מופעלת קרינת לייזר על פני החומר, יתרחשו שינויים שונים בשטח הפנים של החומר בצפיפות הספק שונים. שינויים אלה כוללים עליית טמפרטורת פני השטח, התכה, אידוי, היווצרות חור מפתח ויצירת פלזמה. יתרה מכך, השינויים במצב הפיזי של שטח פני החומר משפיעים רבות על ספיגת הלייזר של החומר. עם הגדלת צפיפות ההספק וזמן הפעולה, חומר המתכת יעבור את השינויים הבאים במצב:

כאשר הכוח לייזרהצפיפות נמוכה (<10 ^ 4w/cm ^ 2) וזמן ההקרנה קצר, אנרגיית הלייזר הנספגת במתכת יכולה רק לגרום לטמפרטורה של החומר לעלות מהמשטח פנימה, אך הפאזה המוצקה נשארת ללא שינוי. . הוא משמש בעיקר עבור חישול חלקים וטיפול התקשות טרנספורמציה שלבים, כאשר כלים, גלגלי שיניים ומסבים הם הרוב;

עם הגדלת צפיפות הכוח של הלייזר (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) והארכת זמן ההקרנה, פני החומר נמסים בהדרגה. ככל שאנרגיית הכניסה עולה, הממשק נוזל-מוצק נע בהדרגה לעבר החלק העמוק של החומר. תהליך פיזי זה משמש בעיקר להמסה מחדש של פני השטח, סגסוגת, חיפוי וריתוך מוליכות תרמית של מתכות.

על ידי הגדלת צפיפות הכוח נוספת (>10 ^ 6w/cm ^ 2) והארכת זמן פעולת הלייזר, משטח החומר לא רק נמס אלא גם מתאדה, והחומרים המאוד מתאספים ליד פני החומר ומייננים בצורה חלשה ליצירת פלזמה. פלזמה דקה זו מסייעת לחומר לספוג את הלייזר; בלחץ האידוי וההתפשטות, פני הנוזל מתעוותים ויוצרים בורות. שלב זה יכול לשמש לריתוך לייזר, בדרך כלל בריתוך מוליכות תרמית שחבור של חיבורי מיקרו בטווח של 0.5 מ"מ.

על ידי הגדלת צפיפות הכוח נוספת (>10 ^ 7w/cm ^ 2) והארכת זמן ההקרנה, משטח החומר עובר אידוי חזק, ויוצר פלזמה עם דרגת יינון גבוהה. לפלזמה צפופה זו יש אפקט מיגון על הלייזר, ומפחיתה מאוד את צפיפות האנרגיה של פגיעת הלייזר בחומר. במקביל, תחת כוח תגובת אדים גדול, נוצרים חורים קטנים, הידועים בכינויו חורי מפתח, בתוך המתכת המומסת, קיומם של חורי מפתח מועיל לחומר לקלוט לייזר, וניתן להשתמש בשלב זה לאיחוי עמוק בלייזר ריתוך, חיתוך וקידוח, התקשות פגיעה וכו'.

בתנאים שונים, אורכי גל שונים של קרינת לייזר על חומרי מתכת שונים יגרמו לערכים ספציפיים של צפיפות הספק בכל שלב.

מבחינת קליטת הלייזר על ידי חומרים, אידוי החומרים הוא גבול. כאשר החומר אינו עובר אידוי, בין אם בשלב המוצק או הנוזלי, ספיגת הלייזר שלו משתנה רק באיטיות עם עליית טמפרטורת פני השטח; ברגע שהחומר מתאדה ויוצר פלזמה וחורי מפתח, ספיגת הלייזר של החומר תשתנה לפתע.

כפי שמוצג באיור 2, קצב הספיגה של הלייזר על פני החומר במהלך ריתוך הלייזר משתנה עם צפיפות הספק הלייזר וטמפרטורת פני החומר. כאשר החומר אינו נמס, קצב הספיגה של החומר ללייזר עולה לאט עם עליית טמפרטורת פני החומר. כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-(10 ^ 6w/cm ^ 2), החומר מתאדה בעוצמה ויוצר חור מנעול. הלייזר נכנס לחור המנעול לריבוי השתקפויות וספיגה, וכתוצאה מכך לעלייה משמעותית בקצב הספיגה של החומר ללייזר ולעלייה משמעותית בעומק ההיתוך.

קליטת לייזר על ידי חומרי מתכת - אורך גל

האיור שלמעלה מציג את עקומת הקשר בין רפלקטיביות, ספיגה ואורך גל של מתכות נפוצות בטמפרטורת החדר. באזור האינפרא אדום, קצב הספיגה יורד והרפלקטיביות עולה עם עליית אורך הגל. רוב המתכות מחזירות בעוצמה אור אינפרא אדום באורך גל של 10.6um (CO2), בעוד שאור אינפרא אדום מחזיר אור באורך גל של 1.06um (1060nm). לחומרי מתכת יש שיעורי ספיגה גבוהים יותר עבור לייזרים באורך גל קצר, כגון אור כחול וירוק.

קליטת לייזר על ידי חומרי מתכת - טמפרטורת החומר וצפיפות אנרגית הלייזר

אם ניקח לדוגמה את סגסוגת האלומיניום, כאשר החומר מוצק, קצב ספיגת הלייזר הוא סביב 5-7%, קצב ספיגת הנוזל הוא עד 25-35%, והוא יכול להגיע ליותר מ-90% במצב חור המנעול.

קצב הספיגה של החומר ללייזר עולה עם עליית הטמפרטורה. קצב הספיגה של חומרי מתכת בטמפרטורת החדר נמוך מאוד. כאשר הטמפרטורה עולה לסמוך לנקודת ההיתוך, שיעור הספיגה שלה יכול להגיע ל-40% ~ 60%. אם הטמפרטורה קרובה לנקודת הרתיחה, קצב הספיגה שלה יכול להגיע גם ל-90%.

ספיגת לייזר על ידי חומרי מתכת - מצב פני השטח

קצב הספיגה הקונבנציונלי נמדד באמצעות משטח מתכת חלק, אך ביישומים מעשיים של חימום בלייזר, בדרך כלל יש צורך להגביר את קצב הספיגה של חומרים מסוימים עם השתקפות גבוהה (אלומיניום, נחושת) כדי למנוע הלחמה כוזבת הנגרמת מהשתקפות גבוהה;

ניתן להשתמש בשיטות הבאות:

1. אימוץ תהליכי טיפול מקדים משטחים מתאימים לשיפור רפלקטיביות הלייזר: אבטיפוס חמצון, התזת חול, ניקוי לייזר, ציפוי ניקל, ציפוי פח, ציפוי גרפיט וכו' יכולים לשפר את קצב הספיגה של החומר של הלייזר;

הליבה היא להגביר את החספוס של משטח החומר (מה שמסייע להחזרות לייזר וספיגות מרובות), כמו גם להגדיל את חומר הציפוי עם קצב ספיגה גבוה. על ידי ספיגת אנרגיית הלייזר והתכה והנידוף שלה באמצעות חומרים בעלי קצב ספיגה גבוה, חום הלייזר מועבר לחומר הבסיס על מנת לשפר את קצב ספיגת החומר ולהפחית את הריתוך הוירטואלי הנגרמת כתוצאה מתופעת השתקפות גבוהה.