激光吸收率及激光與材料作用物態(tài)變化柳州激光切割

激光與材料的相互作用涉及很多物理現象特征，接下來三篇文章將分別介紹激光工藝基礎相關的激光焊接過程三個關鍵的物理現象，以便同行能夠對激光焊接過程有更為清晰的認識：分被為激光吸收率及物態(tài)變化、等離子體與匙孔效應，本次先更新激光與材料的物態(tài)變化與吸收率之間的關系。

激光與材料作用引起的物態(tài)變化

     金屬材料的激光加工主要是基于光熱效應的熱加工，激光輻照在材料表面時，在不同的功率密度下，材料表面區(qū)域將發(fā)生各種不同的變化。這些變化包括表面溫度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及產生等離子體等。而且材料表面區(qū)域物理狀態(tài)的變化極大的影響材料對激光的吸收，隨功率密度與作用時間的增加，金屬材料將會發(fā)生以下幾種物態(tài)變化：

        當激光功率密度較低 (<10^4w/cm^2)、輻照時間較短時，金屬吸收的激光能量只能引起材料由表及里溫度升高，但維持固相不變，主要用于零件退火和相變硬化處理，刀具、齒輪、軸承居多；

    隨著激光功率密度的提高 (10^4~10^6w/cm^2)和輻照時間的加長，材料表層逐漸熔化，隨輸入能量增加，液-固相分界面逐漸向材料深部移動，這種物理過程主要用于金屬的表面重熔、合金化、熔覆和熱導型焊接。

      進一步提高功率密度(>10^6w/cm^2)和加長激光作用時間，材料表面不僅熔化，而且汽化，汽化物聚集在材料表面附近并微弱的電離形成等離子體，這種稀薄等離子體有助于材料對激光的吸收；在汽化膨脹壓力下，液態(tài)表面變形，形成凹坑，這一階段可以用于激光焊接，柳州激光切割一般在微連接0.5mm以內的拼接熱導焊。

       再進一步提高功率密度(>10^7w/cm^2)和加長輻照時間，材料表面強烈汽化，形成較高電離度的等離子體，這種致密的等離子體對激光有屏蔽作用，大大降低激光入射到材料內部的能量密度，同時在較大的蒸氣反作用力下，熔化的金屬內部形成小孔，通常稱之為匙孔，匙孔的存在有利于材料對激光吸收，這一階段可用于激光深熔接、切和打孔、沖擊硬化等。

      不同條件下，不同波長激光照射不同金屬材料，每一階段的功率密度的具體數值會存在一定的差異。

        就材料對激光的吸收而言，材料的汽化是一個分界限。當材料沒有發(fā)生汽化時，不論處于固相還是液相，其對激光的吸收僅隨表面溫度的升高而有較慢的變化;而一旦材料出現汽化并形成等離子體和匙孔，材料對激光的吸收則會突然發(fā)生變化。

        如圖2為激光焊接過中材料表面對激光的吸收率隨激光功率密度以及材料表面溫度的變化。當材料未溶化時，材料對激光的吸收率隨著材料表面溫度的增高緩慢增加，當功率密度大于 (10^6w/cm^2)時，材料劇烈汽化，形成匙孔，激光進入匙孔多次反射吸收，激光切割廠家使得材料對激光的吸收率劇增，熔深會顯著增加。

金屬材料對激光的吸收-波長

      上圖為常用金屬在室溫下的反射率、吸收率與波長的關系曲線。在紅外區(qū),近似的有隨著波長的增加吸收率減小,反射率增大。大部分金屬對 10.6um（CO2）波長紅外光反射強烈而對 1.06um (1060nm) 波長紅外光反射較弱，金屬材料對短波長激光吸收率較高，如藍光、綠光。

金屬材料對激光的吸收-材料溫度與激光能量密度

     以鋁合金為例，材料為固體時對激光吸收率在5-7%左右，液體吸收率到25-35%，匙孔狀態(tài)下能到90%以上[1]。

        材料對激光的吸收率隨溫度升高而增大。金屬材料在室溫時的吸收率均很小,當溫度升高到接近熔點時,其吸收率可達 40%~60%如溫度接近沸點,其吸收率高達90%。

金屬材料對激光的吸收-表面狀況

     常規(guī)的吸收率是采用光潔的金屬表面測得的，而在激光加熱的實際應用中，通常需要提高某些高反材料（鋁、銅）對激光的吸收率，以避免出現高反導致虛焊；

       可以采用以下方法:

       1、采取適當的表面預處理工藝，提高對激光的吸收射率：陽極氧化、噴砂、激光清洗、鍍鎳、鍍錫、石墨涂層等都可改善材料對激光的吸收率 ；

    核心就是增加材料表面的粗糙度（利于激光多次反射吸收），以及增加高吸收率的鍍層材料，通過高吸收率材料吸收激光能量熔化揮發(fā)，傳導激光熱量到母材提高材料吸收率，降低高反現象所導致的虛焊。

       參考文獻[1]黃延祿,楊福華,梁工英等.用原位法測定鋁合金對激光的吸收率[J].中國激光,2003(05):449-453.

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