Что делает взаимодействие металла и лазера таким захватывающим? Это взаимодействие между светом и заряженными частицами металла, которое приводит к различным уровням отражения, поглощения и пропускания. В этой статье мы погрузимся в науку, лежащую в основе поглощения металла лазером, и рассмотрим такие факторы, как длина волны лазера, свойства материала, температура и состояние поверхности. Читатели узнают, как эти элементы влияют на передачу энергии в процессе лазерной обработки, и получат представление об оптимизации использования лазера для повышения эффективности и точности.
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).
Интерференция между этими субволнами и между субволнами и падающими волнами приводит к появлению сильных отраженных волн и относительно слабых переданных волн, которые поглощаются тонким слоем металлической поверхности. Поэтому металлическая поверхность часто имеет высокий коэффициент отражения лазера. Особенно для низкочастотного инфракрасного света, его энергия фотонов низкая, в основном влияет на свободные электроны в металле, отражаясь сильно.
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.
Сайт поглощение лазера металлом зависит от ряда факторов, таких как длина волны лазера, свойства материала, температура, состояние поверхности и поляризационные характеристики.
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 поверхности металла почти на порядок меньше, чем у видимого света (длины волн лазера в таблице - 500 и 700 нм), а коэффициент поглощения инфракрасного лазера YAG с длиной волны 1,06 мкм значительно больше, чем у CO2 лазер.
Таблица 1-1: Коэффициенты поглощения различных металлов при различных длинах волн лазера при 20℃
| Материалы | Аргон Ион | Руби | YAG | CO2 |
| Длина волны | 500 нм | 700 нм | 1,06 мкм | 10,6 мкм |
| Алюминий | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| Медь | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| Золото | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| Иридиум | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| Железо | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Вести | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Молибден | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| Никель | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
| Ниобий | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
| Платина | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
| Никель | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| Серебро | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| Тантал | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Олово | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| Титан | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| Вольфрам | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| Цинк | - | - | 0.16 | 0.027 |
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.
Удельное сопротивление металла увеличивается с ростом температуры, что свидетельствует о том, что:
В уравнении:
ρ20 удельное сопротивление металлического материала 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℃.
| Материалы | ρ20(Ω -см) | γ(℃-1) | Материалы | ρ20(Ω-см) | γ(℃-1) |
| Алюминий | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Никель | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| Латунь | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Платина | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| Бронза | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Серебро | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| Медно-никелевый сплав | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Легированная сталь | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| Медь | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Низкоуглеродистая сталь | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| Золото | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Конструкционная сталь | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Инвар | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Тантал | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| Железо | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Олово | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| Марганцовка | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | Кадмий | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
| Молибден | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Цинк | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Нихромовый сплав | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
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.
Таблица 1-3: Влияние состояния поверхности алюминия и его сплавов на коэффициент поглощения CO2 лазеры[6](%).
| Материалы | Оригинальная поверхность | Электрополировка | Пескоструйная обработка | Анодирование |
| Чистый алюминий | 7 | 5 | 20 | 22 |
| Алюминиевый сплав 5456 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
Оксидная пленка, образующаяся на металле материалы при высоких температурах значительно увеличивает коэффициент поглощения. На рис. 1-4 показана зависимость коэффициента поглощения инфракрасного лазера с длиной волны 10,6 мкм на поверхности нержавеющей стали 304, окисленной на воздухе в течение 1 минуты, от температуры окисления; на рис. 1-5 показана зависимость коэффициента поглощения молибденовой поверхности 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.
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.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO