קצב ספיגת לייזר ושינויים במצב החומר של האינטראקציה בין חומרי לייזר

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 של...תהליך ריתוך בלייזר: מחולק לקצב ספיגה של לייזר ושינויים במצב, פלזמה ואפקט חור המנעול. הפעם, נעדכן את הקשר בין שינויים במצב הלייזר והחומרים לבין קצב הספיגה.

שינויים במצב החומר הנגרמים כתוצאה מאינטראקציה בין לייזר לחומרים

עיבוד לייזר של חומרי מתכת מבוסס בעיקר על עיבוד תרמי של אפקטים פוטותרמיים. כאשר מופעל קרינת לייזר על פני החומר, יתרחשו שינויים שונים בשטח הפנים של החומר בצפיפויות הספק שונות. שינויים אלה כוללים עליית טמפרטורת פני השטח, התכה, אידוי, היווצרות חורים ויצירת פלזמה. יתר על כן, השינויים במצב הפיזי של שטח פני החומר משפיעים מאוד על ספיגת הלייזר על ידי החומר. עם העלייה בצפיפות ההספק ובזמן הפעולה, חומר המתכת יעבור את השינויים הבאים במצבו:

כאשר ה-כוח לייזרהצפיפות נמוכה (<10 ^ 4w/cm ^ 2) וזמן ההקרנה קצר, אנרגיית הלייזר הנספגת על ידי המתכת יכולה רק לגרום לטמפרטורת החומר לעלות מפני השטח פנימה, אך הפאזה המוצקה נשארת ללא שינוי. הוא משמש בעיקר לחישול חלקים וטיפול הקשיית פאזה, כאשר כלים, גלגלי שיניים ומיסבים הם הרוב;

עם העלייה בצפיפות הספק הלייזר (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) והארכת זמן ההקרנה, פני השטח של החומר נמסים בהדרגה. ככל שאנרגיית הקלט עולה, ממשק הנוזל-מוצק נע בהדרגה לעבר החלק העמוק יותר של החומר. תהליך פיזיקלי זה משמש בעיקר להתכה מחדש של פני השטח, סגסוגות, ציפוי וריתוך מוליכות תרמית של מתכות.

על ידי הגדלה נוספת של צפיפות ההספק (>10 ^ 6w/cm ^ 2) והארכת זמן פעולת הלייזר, פני החומר לא רק נמסים אלא גם מתאדים, והחומרים המתאדים מתאספים ליד פני החומר ומייננים חלש ליצירת פלזמה. פלזמה דקה זו מסייעת לחומר לספוג את הלייזר; תחת לחץ האידוי וההתפשטות, פני הנוזל מתעוותים ויוצרים בורות. שלב זה יכול לשמש לריתוך בלייזר, בדרך כלל בריתוך מוליכות תרמית של חיבורים זעירים בעובי של 0.5 מ"מ.

על ידי הגדלה נוספת של צפיפות ההספק (>10 ^ 7w/cm ^ 2) והארכת זמן ההקרנה, פני החומר עוברים אידוי חזק, ויוצרים פלזמה בעלת דרגת יינון גבוהה. לפלזמה צפופה זו יש אפקט מגן על הלייזר, מה שמפחית מאוד את צפיפות האנרגיה של הלייזר הפוגע בחומר. במקביל, תחת כוח תגובת אדים גדול, נוצרים חורים קטנים, המכונים בדרך כלל חורי מנעול, בתוך המתכת המותכת. קיומם של חורי מנעול מועיל לחומר לספיגת לייזר, וניתן להשתמש בשלב זה לריתוך היתוך עמוק בלייזר, חיתוך וקידוח, הקשחת אימפקט וכו'.

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

מבחינת ספיגת לייזר על ידי חומרים, אידוי החומרים הוא גבול. כאשר החומר אינו עובר אידוי, בין אם בשלב מוצק או נוזלי, ספיגת הלייזר שלו משתנה באיטיות בלבד עם עליית טמפרטורת פני השטח; ברגע שהחומר מתאדה ויוצר פלזמה וחורים, ספיגת הלייזר של החומר תשתנה לפתע.

כפי שמוצג באיור 2, קצב הספיגה של הלייזר על פני החומר במהלך ריתוך בלייזר משתנה בהתאם לצפיפות הספק הלייזר ולטמפרטורת פני החומר. כאשר החומר אינו נמס, קצב הספיגה של החומר ללייזר עולה באיטיות עם עליית טמפרטורת פני החומר. כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-(10 ^ 6w/cm ^ 2), החומר מתאדה באלימות ויוצר חור מנעול. הלייזר חודר לחור המנעול לצורך השתקפויות מרובות וספיגה, וכתוצאה מכך עלייה משמעותית בקצב הספיגה של החומר ללייזר ועלייה משמעותית בעומק ההיתוך.

בליעת לייזר על ידי חומרים מתכתיים - אורך גל

האיור לעיל מציג את עקומת הקשר בין החזרתיות, ספיגה ואורך גל של מתכות נפוצות בטמפרטורת החדר. בתחום האינפרא אדום, קצב הספיגה יורד וההחזרתיות עולה עם העלייה באורך הגל. רוב המתכות מחזירות חזק אור אינפרא אדום באורך גל של 10.6 מיקרון (CO2), בעוד שהן מחזירות חלש אור אינפרא אדום באורך גל של 1.06 מיקרון (1060 ננומטר). לחומרי מתכת יש שיעורי ספיגה גבוהים יותר עבור לייזרים באורך גל קצר, כגון אור כחול וירוק.

בליעת לייזר על ידי חומרים מתכתיים - טמפרטורת החומר וצפיפות אנרגיית הלייזר

אם ניקח לדוגמה סגסוגת אלומיניום, כאשר החומר מוצק, קצב ספיגת הלייזר הוא כ-5-7%, קצב ספיגת הנוזלים הוא עד 25-35%, והוא יכול להגיע ליותר מ-90% במצב חור מנעול.

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

בליעת לייזר על ידי חומרי מתכת - מצב פני השטח

קצב הספיגה הקונבנציונלי נמדד באמצעות משטח מתכת חלק, אך ביישומים מעשיים של חימום לייזר, בדרך כלל יש צורך להגדיל את קצב הספיגה של חומרים מסוימים בעלי החזרה גבוהה (אלומיניום, נחושת) כדי למנוע הלחמה כוזבת הנגרמת על ידי החזרה גבוהה;

ניתן להשתמש בשיטות הבאות:

1. אימוץ תהליכי טיפול מקדים מתאימים לפני השטח כדי לשפר את רפלקטיביות הלייזר: חמצון אב טיפוס, התזת חול, ניקוי לייזר, ציפוי ניקל, ציפוי בדיל, ציפוי גרפיט וכו', כולם יכולים לשפר את קצב ספיגת הלייזר של החומר;

הליבה היא להגדיל את חספוס פני השטח של החומר (מה שתורם להחזרי לייזר מרובים וספיגה), כמו גם להגדיל את קצב הספיגה הגבוה של חומר הציפוי. על ידי ספיגת אנרגיית לייזר, התכתה והתנדפותה דרך חומרים בעלי קצב ספיגה גבוה, חום הלייזר מועבר לחומר הבסיס כדי לשפר את קצב הספיגה של החומר ולהפחית את הריתוך הווירטואלי הנגרם מתופעת ההשתקפות הגבוהה.