레이저와 재료 사이의 상호 작용에는 많은 물리적 현상과 특성이 포함됩니다. 다음 세 기사에서는 레이저 용접 공정과 관련된 세 가지 주요 물리적 현상을 소개하여 동료들에게 레이저 용접 공정에 대한 보다 명확한 이해를 제공할 것입니다.레이저 용접 공정: 레이저 흡수율과 상태 변화, 플라즈마 효과, 키홀 효과로 구분됩니다. 이번에는 레이저와 재료의 상태 변화와 흡수율의 관계를 업데이트하겠습니다.
레이저와 물질의 상호작용으로 인한 물질의 상태 변화
금속 재료의 레이저 가공은 주로 광열 효과의 열 가공을 기반으로 합니다. 레이저 조사가 재료 표면에 적용되면 다양한 전력 밀도에서 재료 표면적에 다양한 변화가 발생합니다. 이러한 변화에는 표면 온도 상승, 용융, 기화, 열쇠 구멍 형성 및 플라즈마 생성이 포함됩니다. 더욱이, 재료 표면적의 물리적 상태 변화는 재료의 레이저 흡수에 큰 영향을 미칩니다. 전력 밀도와 작용 시간이 증가함에 따라 금속 재료는 다음과 같은 상태 변화를 겪게 됩니다.
때레이저 파워밀도가 낮고(<10 ^ 4w/cm ^ 2) 조사 시간이 짧습니다. 금속에 흡수된 레이저 에너지는 재료의 온도를 표면에서 내부로 상승시킬 수 있지만 고체상은 변하지 않습니다. . 주로 부품 어닐링 및 상변태 경화 처리에 사용되며 공구, 기어 및 베어링이 대부분입니다.
레이저 출력 밀도(10^4-10^6w/cm^2)가 증가하고 조사 시간이 길어질수록 재료 표면이 점차 녹습니다. 입력 에너지가 증가함에 따라 액체-고체 계면은 점차 재료의 깊은 부분으로 이동합니다. 이 물리적 공정은 주로 금속의 표면 재용해, 합금화, 클래딩 및 열전도 용접에 사용됩니다.
출력 밀도를 더욱 높이고(>10 ^ 6w/cm ^ 2) 레이저 작동 시간을 연장하면 재료 표면이 녹을 뿐만 아니라 기화되고, 기화된 물질은 재료 표면 근처에 모여 약하게 이온화되어 플라즈마를 형성합니다. 이 얇은 플라즈마는 재료가 레이저를 흡수하는 데 도움이 됩니다. 기화 및 팽창 압력으로 인해 액체 표면이 변형되어 구덩이를 형성합니다. 이 단계는 레이저 용접에 사용할 수 있으며 일반적으로 0.5mm 이내의 마이크로 연결부의 접합 열전도 용접에 사용됩니다.
전력 밀도(>10 ^ 7w/cm ^ 2)를 더욱 높이고 조사 시간을 연장함으로써 재료 표면이 강하게 기화되어 이온화도가 높은 플라즈마를 형성합니다. 이 고밀도 플라즈마는 레이저에 차폐 효과를 주어 재료에 입사되는 레이저의 에너지 밀도를 크게 감소시킵니다. 동시에, 큰 증기 반응력 하에서 일반적으로 열쇠 구멍이라고 알려진 작은 구멍이 용융된 금속 내부에 형성됩니다. 열쇠 구멍의 존재는 재료가 레이저를 흡수하는 데 유리하며 이 단계는 레이저 심층 융합에 사용될 수 있습니다. 용접, 절단 및 드릴링, 충격 경화 등
다양한 조건에서 다양한 금속 재료에 레이저 조사의 다양한 파장을 적용하면 각 단계에서 특정 값의 전력 밀도가 생성됩니다.
재료에 의한 레이저의 흡수 측면에서 재료의 기화는 경계입니다. 고체상이든 액체상이든 재료가 기화되지 않으면 표면 온도가 증가함에 따라 레이저 흡수가 천천히 변합니다. 재료가 기화되어 플라즈마와 열쇠 구멍을 형성하면 재료의 레이저 흡수가 갑자기 변합니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 레이저 용접 중 재료 표면의 레이저 흡수율은 레이저 출력 밀도와 재료 표면 온도에 따라 달라집니다. 재료가 녹지 않는 경우 재료 표면 온도가 증가함에 따라 레이저에 대한 재료의 흡수율이 서서히 증가합니다. 전력 밀도가 (10 ^ 6w/cm ^ 2)보다 크면 재료가 격렬하게 증발하여 열쇠 구멍을 형성합니다. 레이저는 다중 반사 및 흡수를 위해 열쇠 구멍에 들어가므로 레이저에 대한 재료의 흡수 속도가 크게 증가하고 용융 깊이가 크게 증가합니다.
금속 재료에 의한 레이저 흡수 - 파장
위 그림은 상온에서 일반적으로 사용되는 금속의 반사율, 흡광도, 파장 간의 관계 곡선을 보여줍니다. 적외선 영역에서는 파장이 증가함에 따라 흡수율이 감소하고 반사율이 증가합니다. 대부분의 금속은 10.6um(CO2) 파장의 적외선을 강하게 반사하는 반면, 1.06um(1060nm) 파장의 적외선은 약하게 반사합니다. 금속 재료는 청색광, 녹색광과 같은 단파장 레이저에 대한 흡수율이 더 높습니다.
금속 재료에 의한 레이저 흡수 - 재료 온도 및 레이저 에너지 밀도
알루미늄 합금을 예로 들면, 재료가 고체인 경우 레이저 흡수율은 약 5-7%이고 액체 흡수율은 최대 25-35%이며 열쇠 구멍 상태에서는 90% 이상에 도달할 수 있습니다.
레이저에 대한 재료의 흡수율은 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 상온에서 금속재료의 흡수율은 매우 낮습니다. 온도가 융점 근처까지 상승하면 흡수율은 40%~60%에 도달할 수 있습니다. 온도가 끓는점에 가까우면 흡수율은 90%까지 올라갈 수 있습니다.
금속 재료에 의한 레이저 흡수 - 표면 상태
기존의 흡수율은 매끄러운 금속 표면을 사용하여 측정되지만 레이저 가열의 실제 적용에서는 일반적으로 높은 반사로 인한 잘못된 납땜을 피하기 위해 특정 고반사 재료(알루미늄, 구리)의 흡수율을 높여야 합니다.
다음 방법을 사용할 수 있습니다.
1. 레이저의 반사율을 향상시키기 위해 적절한 표면 전처리 공정을 채택합니다. 프로토타입 산화, 샌드블라스팅, 레이저 세척, 니켈 도금, 주석 도금, 흑연 코팅 등은 모두 재료의 레이저 흡수율을 향상시킬 수 있습니다.
핵심은 재료 표면의 거칠기를 높이는 것(다중 레이저 반사 및 흡수에 도움이 됨)과 흡수율이 높은 코팅 재료를 늘리는 것입니다. 흡수율이 높은 재료를 통해 레이저 에너지를 흡수하여 용융, 휘발시킴으로써 레이저 열이 모재에 전달되어 재료의 흡수율을 향상시키고 높은 반사 현상으로 인한 가상 융착을 감소시킵니다.
게시 시간: 2023년 11월 23일
