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(xiàn)象特征，接下來三篇文章將分別介紹激光工藝基礎(chǔ)相關(guān)的激光焊接過程三個(gè)關(guān)鍵的物理現(xiàn)象，以便同行能夠?qū)す夂附舆^程有更為清晰的認(rèn)識(shí)：分被為激光吸收率及物態(tài)變化、等離子體與匙孔效應(yīng)，本次先更新激光與材料的物態(tài)變化與吸收率之間的關(guān)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(yīng)的熱加工，激光輻照在材料表面時(shí)，在不同的功率密度下，材料表面區(qū)域?qū)l(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(chǎn)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(duì)激光的吸收，隨功率密度與作用時(shí)間的增加，金屬材料將會(huì)發(fā)生以下幾種物態(tài)變化：

        當(dāng)激光功率密度較低 (<10^4w/cm^2)、輻照時(shí)間較短時(shí)，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(shí)間的加長(zhǎng)，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(dòng)，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(dǎo)型焊接。

      進(jìn)一步提高功率密度(>10^6w/cm^2)和加長(zhǎng)激光作用時(shí)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(duì)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(nèi)的拼接熱導(dǎo)焊。

       再進(jìn)一步提高功率密度(>10^7w/cm^2)和加長(zhǎng)輻照時(shí)間，材料表面強(qiáng)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(duì)激光有屏蔽作用，大大降低激光入射到材料內(nèi)部的能量密度，同時(shí)在較大的蒸氣反作用力下，熔化的金屬內(nèi)部形成小孔，通常稱之為匙孔，匙孔的存在有利于材料對(duì)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(zhǎng)激光照射不同金屬材料，每一階段的功率密度的具體數(shù)值會(huì)存在一定的差異。

        就材料對(duì)激光的吸收而言，材料的汽化是一個(gè)分界限。當(dāng)材料沒有發(fā)生汽化時(shí)，不論處于固相還是液相，其對(duì)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(xiàn)汽化并形成等離子體和匙孔，材料對(duì)激光的吸收則會(huì)突然發(fā)生變化。

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

金屬材料對(duì)激光的吸收-波長(zhǎng)

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

金屬材料對(duì)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(shí)對(duì)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(duì)激光的吸收率隨溫度升高而增大。金屬材料在室溫時(shí)的吸收率均很小,當(dāng)溫度升高到接近熔點(diǎn)時(shí),其吸收率可達(dá) 40%~60%如溫度接近沸點(diǎn),其吸收率高達(dá)90%。

金屬材料對(duì)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(cè)得的，而在激光加熱的實(shí)際應(yīng)用中，通常需要提高某些高反材料（鋁、銅）對(duì)激光的吸收率，以避免出現(xiàn)高反導(dǎo)致虛焊；

       可以采用以下方法:

       1、采取適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理工藝，提高對(duì)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(duì)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(dǎo)激光熱量到母材提高材料吸收率，降低高反現(xiàn)象所導(dǎo)致的虛焊。

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

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