Наука, лежащая в основе поглощения металла лазером: Как увеличить передачу энергии | MachineMFG

Наука, лежащая в основе поглощения металла лазером: Как увеличить передачу энергии

0
(0)

Механизм работы лазера, поглощающего металл

Отражение, поглощение и пропускание света на поверхности материала - это, по сути, результат взаимодействия электромагнитного поля световых волн с заряженными частицами в материале. Металлы имеют высокую плотность свободных электронов, которые под действием электромагнитного поля световых волн совершают колебания, создавая вторичные электромагнитные волны (субволны).

Наука, лежащая в основе поглощения металла лазером Как увеличить передачу энергии

Интерференция между этими субволнами и между субволнами и падающими волнами приводит к появлению сильных отраженных волн и относительно слабых передаваемых волн, которые поглощаются тонким слоем металлической поверхности. Поэтому металлическая поверхность часто имеет высокий коэффициент отражения лазера. Особенно это касается низкочастотного инфракрасного света, его энергия фотонов низка, в основном воздействует на свободные электроны в металле, сильно отражаясь.

Для более высокочастотного видимого света и ультрафиолетового света с большей энергией фотонов, они могут воздействовать на связанные электроны в металле. Действие связанных электронов уменьшит отражательную способность металла, увеличит его пропускаемость и усилит поглощение лазера металлом.

Благодаря высокой плотности свободных электронов, проходящая волна поглощается в очень тонком поверхностном слое металла. Измерения от ультрафиолетового света с длиной волны 0,25 мкм до инфракрасного света с длиной волны 10,6 мкм показывают, что глубина проникновения света в различные металлы составляет всего 0,01~0,1 мкм.

Как объяснялось выше, глубина проникновения равна обратной величине линейного коэффициента поглощения, поэтому линейный коэффициент поглощения металлом световых волн велик, в пределах 105~106 см-1.

После поглощения лазера материал преобразует световую энергию в тепловую за счет резонанса заряженных частиц и столкновений между ними. Весь процесс завершается за очень короткое время. Общее время энергетической релаксации для металлов обычно составляет 10-13s. Для общего лазерная обработкаСчитается, что преобразование поглощенного лазера в тепловую энергию происходит мгновенно.

В этот момент тепло ограничивается областью лазерного облучения материала. Последующая теплопроводность переносит тепло от высокотемпературных областей к более низкотемпературным.

Факторы, влияющие на поглощение металла лазером

Сайт поглощение лазера металлом зависит от ряда факторов, таких как длина волны лазера, свойства материала, температура, состояние поверхности и поляризационные характеристики.

(1) Влияние длины волны лазера

Вообще говоря, чем больше длина волны лазера, тем выше коэффициент отражения и ниже коэффициент поглощения.

На рис. 1-2 показана зависимость между коэффициентом отражения R широко используемых металлов при комнатной температуре и длиной волны. В инфракрасной области коэффициент поглощения A приблизительно пропорционален (ρ/λ)1/2где ρ - удельное сопротивление материала, а λ - длина волны. С увеличением длины волны коэффициент поглощения A уменьшается, а коэффициент отражения R увеличивается.

Коэффициент поглощения A различных металлов при различных длинах волн лазера при температуре 20℃ показан в таблице 1-1.

Как видно из таблицы 1-1, при комнатной температуре коэффициент поглощения инфракрасного лазера с длиной волны 10,6 мкм на металлическая поверхность почти на порядок меньше, чем у видимого света (длины волн лазеров в таблице - 500 и 700 нм), а коэффициент поглощения инфракрасного лазера YAG с длиной волны 1,06 мкм значительно больше, чем у CO2 лазер.

Рисунок 1-2: Зависимость между коэффициентом отражения (R) и длиной волны для обычных металлов при комнатной температуре

Таблица 1-1: Коэффициенты поглощения различных металлов при различных длинах волн лазера при 20℃

МатериалыАргон ИонРубиYAGCO2
Длина волны500 нм700 нм1,06 мкм10,6 мкм
Алюминий0.090.110.080.019
Медь0.560.170.10.015
Золото0.580.07-0.017
Иридиум0.360.30.22-
Железо0.680.64-0.035
Вести0.380.350.160.045
Молибден0.480.480.40.027
Никель0.40.320.260.03
Ниобий0.580.50.320.036
Платина0.210.150.110.036
Никель0.470.440.28-
Серебро0.050.040.040.014
Тантал0.650.50.180.044
Олово0.20.180.190.034
Титан0.480.450.420.08
Вольфрам0.550.50.410.026
Цинк--0.160.027
Примечание: Коэффициенты поглощения, приведенные в таблице, были измерены на полированной металлической поверхности в вакууме.

(2) Влияние свойств материала

Как показано на рис. 1-2, в области видимого света и прилегающих к ней областях, различные металлы демонстрируют сложные вариации отражательной способности. Однако в инфракрасном диапазоне, где λ>2 мкм, порядок отражения для металлов таков: Серебро > Медь > Алюминий > Никель > Углеродистая сталь, что указывает на то, что чем лучше проводимость материала, тем выше его отражательная способность к инфракрасному излучению.

Это правило можно объяснить механизмом поглощения лазера этими металлами: в этом инфракрасном диапазоне энергия фотона мала и может соединиться только со свободными электронами в металле. Чем меньше удельное сопротивление металла, тем больше плотность свободных электронов. Вынужденная вибрация свободных электронов создает более сильные отраженные волны, что приводит к увеличению коэффициента отражения.

Расчеты показывают, что между коэффициентом поглощения и удельным сопротивлением металла существует следующая приблизительная зависимость:

В формуле:
A представляет собой отношение поглощения металла к лазеру;
ρ - удельное сопротивление металлического материала в момент измерения (Ω-см);
λ - длина волны лазера (см).

Эта связь была подтверждена испытаниями на различных полированных металлических поверхностях.

(3) Влияние температуры

Удельное сопротивление металла увеличивается с ростом температуры, что свидетельствует о том, что:

В уравнении:
ρ20 удельное сопротивление металлический материал при 20℃ (Ω-см);
γ - температурный коэффициент сопротивления (℃-1);
T - это температура (℃).

Подставив уравнение (1-14) в уравнение (1-13), мы можем рассчитать коэффициент поглощения при различных температурах, который определяется следующим образом:

Как видно из уравнения (1-15), коэффициент поглощения увеличивается с ростом температуры. Это соотношение применимо не только к твердым металлам, но и к жидким.

В таблице 1-2 приведены значения удельного сопротивления p20 и температурного коэффициента сопротивления γ для различных металлов при температуре 20℃. На рис. 1-3 показано изменение коэффициента поглощения инфракрасного лазера с длиной волны 10,6 мкм несколькими металлами в зависимости от температуры, рассчитанное в соответствии с уравнением (1-15).

Следует отметить, что хотя температурный коэффициент сопротивления низкоуглеродистой стали не сильно отличается от алюминия и меди, ее удельное сопротивление при 20℃ гораздо больше, поэтому коэффициент поглощения не только больше по абсолютной величине, но и быстрее растет с температурой. Однако в целом полированные поверхности большинства твердых материалов металлические материалы имеют низкий коэффициент поглощения для лазера с длиной волны 10,6 мкм, ни один из них не превосходит 11%.

Таблица 1-2: Удельное сопротивление ρ20 Температурный коэффициент сопротивления γ для различных металлов при 20℃.

Материалыρ20(Ω -см)γ(℃-1)Материалыρ20(Ω-см)γ(℃-1)
Алюминий2. 82 ×10-63. 6 ×10-3Никель7.24 ×10-6S. 4 ×10-3
Латунь8.00×10-61.5 ×10-3Платина1. 05 ×10-53. 7 ×10-3
Бронза8. 00 ×10-63. 5 ×10-3Серебро1. 62 ×10-63.6 ×10-3
Медно-никелевый сплав4. 90 ×10-51.0×10-5Легированная сталь1. 50 ×10-51.5×10-3
Медь1. 72 ×10-54. 0 ×10-3Низкоуглеродистая сталь1.50 ×10-53.3×10-3
Золото2. 42 ×10-63. 6×10-3Конструкционная сталь1. 20 × 10-53. 2 ×10-3
Инвар7. 80 ×10-52. 0 ×10-3Тантал1.55×10-53.1×10-3
Железо9.80 ×10-65. 0 ×10-3Олово1. 14 × 10-64. 0 ×10-3
Марганцовка4. 40 ×10-61.0×10-5Кадмий5.50 ×10-55.2×10-3
Молибден5. 60 ×10-64. 7 ×10-3Цинк5. 92 ×10-53.5 ×10-3
Нихромовый сплав1. 00 ×10-44. 0×10-4

(4) Влияние состояния поверхности

Шероховатость металлической поверхности, состояние оксидной пленки и наличие специальных поверхностных покрытий могут существенно влиять на коэффициент поглощения инфракрасных лазеров.

Коэффициенты поглощения в таблице 1-1 были измерены на гладких металлических поверхностях в вакууме. Однако реальные металлические поверхности, нагретые лазером, из-за окисления и загрязнения имеют гораздо большие коэффициенты поглощения инфракрасных лазеров, чем значения в таблице. Влияние состояния поверхности на коэффициент поглощения видимого света относительно невелико.

В таблице 1-3 показано влияние состояния поверхности алюминия и его сплавов на коэффициент поглощения CO2 лазеры.

Рисунок 1-3: Изменение коэффициента поглощения инфракрасных лазеров с длиной волны 10,6 мкм для нескольких металлов в зависимости от температуры.

Таблица 1-3: Влияние состояния поверхности алюминия и его сплавов на коэффициент поглощения CO2 лазеры[6](%).

МатериалыОригинальная поверхностьЭлектрополировкаПескоструйная обработкаАнодирование
Чистый алюминий752022
Алюминиевый сплав 54565~1142227

Оксидная пленка, образующаяся на металле материалы при высоких температурах значительно увеличивает коэффициент поглощения. На рис. 1-4 показана зависимость между коэффициентом поглощения инфракрасного лазера с длиной волны 10,6 мкм на поверхности 304 нержавеющая сталь окисленного на воздухе в течение 1 минуты, и температуры окисления; на рис. 1-5 показана зависимость коэффициента поглощения поверхности молибдена и того же лазера от температуры и времени окисления.

Поскольку толщина оксидной пленки зависит от температуры и времени окисления, коэффициент поглощения лазера также зависит от температуры и времени окисления. Коэффициент поглощения металлических материалов для CO-лазера с длиной волны 10,6 мкм2 лазера значительно увеличивается с ростом температуры, что обусловлено двумя факторами: увеличением удельного сопротивления и высокотемпературным окислением поверхности.

Фосфаты, диоксид циркония, оксид титана, кремнезем, а также сажа, графит и т.д. являются веществами с высоким коэффициентом поглощения CO2 лазеров. Поверхностные покрытия, состоящие в основном из этих веществ, могут значительно увеличить коэффициент поглощения металлов инфракрасными лазерами, что стало важной мерой, которую необходимо принимать при лазерной термообработке поверхности.

Однако для лазерная сваркаУвеличение содержания фосфора, кислорода и углерода очень вредно. Они могут снизить пластичность и прочность сварной шовИ их использование должно быть тщательно продумано.

Рисунок 1-4 Взаимосвязь между коэффициентом поглощения инфракрасного лазера с длиной волны 10,6 мкм и температурой окисления нержавеющей стали 304.
Рисунок 1-5 Взаимосвязь между коэффициентом поглощения инфракрасного лазера с длиной волны 10,6 мкм и температурой и временем окисления на поверхности [4].

(5) Влияние поляризации

Если падающий лазер не перпендикулярен поверхности материала, то коэффициент отражения и коэффициент поглощения зависят от состояния поляризации падающего лазера. Этот вопрос обсуждался в разделе 1.1.1.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх