Was macht die Wechselwirkung zwischen Metall und Laser so faszinierend? Es ist das Zusammenspiel zwischen Licht und den geladenen Teilchen des Metalls, das zu unterschiedlichen Reflexions-, Absorptions- und Transmissionsgraden führt. In diesem Artikel wird die Wissenschaft hinter der Metall-Laser-Absorption näher beleuchtet, wobei Faktoren wie Laserwellenlänge, Materialeigenschaften, Temperatur und Oberflächenbedingungen untersucht werden. Der Leser erfährt, wie diese Elemente den Energietransfer bei der Laserbearbeitung beeinflussen, und erhält Einblicke in die Optimierung der Lasernutzung für mehr Effizienz und Präzision.
Die Reflexion, Absorption und Transmission von Licht an der Materialoberfläche sind im Wesentlichen das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld der Lichtwellen und den geladenen Teilchen im Material. Metalle haben eine hohe Dichte an freien Elektronen, die durch das elektromagnetische Feld der Lichtwellen zum Schwingen gezwungen werden und sekundäre elektromagnetische Wellen (Subwellen) erzeugen.
Die Interferenz zwischen diesen Teilwellen und zwischen den Teilwellen und den einfallenden Wellen führt zu starken reflektierten Wellen und relativ schwachen transmittierten Wellen, die von einer dünnen Schicht der Metalloberfläche absorbiert werden. Daher hat die Metalloberfläche oft ein hohes Reflexionsverhältnis zum Laser. Vor allem bei niederfrequentem Infrarotlicht ist die Photonenenergie gering und wirkt sich hauptsächlich auf freie Elektronen im Metall aus, die stark reflektiert werden.
Bei sichtbarem Licht höherer Frequenz und ultraviolettem Licht mit größerer Photonenenergie können sie gebundene Elektronen im Metall beeinflussen. Die Wirkung der gebundenen Elektronen verringert das Reflexionsvermögen des Metalls, erhöht seine Durchlässigkeit und verbessert die Absorption des Lasers durch das Metall.
Aufgrund der hohen Dichte an freien Elektronen wird die durchgelassene Welle in einer sehr dünnen Oberflächenschicht des Metalls absorbiert. Messungen von ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 0,25μm bis zu infrarotem Licht mit einer Wellenlänge von 10,6μm zeigen, dass die Eindringtiefe von Licht in verschiedene Metalle nur 0,01-0,1μm beträgt.
Wie oben erläutert, ist die Eindringtiefe gleich dem Kehrwert des linearen Absorptionskoeffizienten, so dass der lineare Absorptionskoeffizient von Metall für Lichtwellen groß ist und zwischen 105~106 cm-1.
Nach der Absorption des Lasers wandelt das Material die Lichtenergie in Wärmeenergie um, indem es die Resonanz geladener Teilchen und Kollisionen zwischen Teilchen anregt. Der gesamte Prozess ist in sehr kurzer Zeit abgeschlossen. Die Gesamtenergie-Relaxationszeit für Metalle beträgt in der Regel 10-13s. Für allgemeine Laserbearbeitungwird angenommen, dass die Umwandlung der absorbierten Laserenergie in Wärmeenergie sofort erfolgt.
In diesem Moment ist die Wärme auf den Bereich der Laserbestrahlung des Materials beschränkt. Die anschließende Wärmeleitung überträgt die Wärme von Bereichen mit hoher Temperatur auf Bereiche mit niedrigerer Temperatur.
Die Absorption des Lasers durch Metall hängt von einer Reihe von Faktoren wie Laserwellenlänge, Materialeigenschaften, Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit und Polarisationscharakteristik ab.
Im Allgemeinen gilt: Je länger die Laserwellenlänge, desto höher das Reflexionsverhältnis und desto niedriger das Absorptionsverhältnis.
Abbildung 1-2 zeigt die Beziehung zwischen dem Reflexionsverhältnis R der gebräuchlichen Metalle bei Raumtemperatur und der Wellenlänge. Im Infrarotbereich ist das Absorptionsverhältnis A ungefähr proportional zu (ρ/λ)1/2, wobei ρ der spezifische Widerstand des Materials und λ die Wellenlänge ist. Mit zunehmender Wellenlänge sinkt das Absorptionsverhältnis A, und das Reflexionsverhältnis R steigt.
Das Absorptionsverhältnis A verschiedener Metalle bei verschiedenen Laserwellenlängen von 20℃ ist in Tabelle 1-1 dargestellt.
Wie aus Tabelle 1-1 hervorgeht, ist das Absorptionsverhältnis des Infrarotlasers mit einer Wellenlänge von 10,6 μm auf der Metalloberfläche bei Raumtemperatur fast um eine Größenordnung kleiner als das des sichtbaren Lichts (die Laserwellenlängen in der Tabelle sind 500 nm und 700 nm), und das Absorptionsverhältnis des YAG-Infrarotlasers mit einer Wellenlänge von 1,06 μm ist deutlich größer als das des CO2 Laser.
Tabelle 1-1: Absorptionsverhältnisse verschiedener Metalle bei unterschiedlichen Laserwellenlängen bei 20℃
| Materialien | Argon Ion | Rubinrot | YAG | CO2 |
| Wellenlänge | 500nm | 700nm | 1,06μm | 10,6μm |
| Aluminium | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| Kupfer | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| Gold | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| Iridium | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| Eisen | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Blei | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Molybdän | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| Nickel | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
| Niobium | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
| Platin | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
| Nickel | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| Silber | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| Tantal | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Zinn | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| Titan | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| Wolfram | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| Zink | - | - | 0.16 | 0.027 |
Wie in Abbildung 1-2 dargestellt, ist der Bereich des sichtbaren Lichts und die angrenzenden Bereiche, verschiedene Metalle weisen komplexe Schwankungen im Reflexionsvermögen auf. Im Infrarotbereich, wo λ>2μm ist, ist die Reihenfolge der Reflexion für Metalle jedoch wie folgt: Silber > Kupfer > Aluminium > Nickel > Kohlenstoffstahl, was darauf hindeutet, dass die Reflexion von Infrarotstrahlung umso höher ist, je besser die Leitfähigkeit des Materials ist.
Diese Regel lässt sich durch den Mechanismus der Laserabsorption dieser Metalle erklären: In diesem Infrarotband ist die Photonenenergie gering und kann sich nur mit den freien Elektronen des Metalls verbinden. Je geringer der spezifische Widerstand des Metalls ist, desto größer ist die Dichte der freien Elektronen. Die erzwungene Schwingung der freien Elektronen erzeugt stärkere reflektierte Wellen, was zu einem höheren Reflexionsgrad führt.
Berechnungen zeigen, dass eine ungefähre Beziehung zwischen dem Absorptionsverhältnis und dem Metallwiderstand besteht, die wie folgt aussieht:
In der Formel:
A steht für das Absorptionsverhältnis des Metalls zum Laser;
ρ ist der spezifische Widerstand des Metallmaterials zum Zeitpunkt der Messung (Ω-cm);
λ ist die Wellenlänge des Lasers (cm).
Dieser Zusammenhang wurde durch Tests an verschiedenen polierten Metalloberflächen bestätigt.
Der spezifische Widerstand des Metalls steigt mit zunehmender Temperatur, was zeigt, dass:
In der Gleichung:
ρ20 ist der spezifische Widerstand des metallischen Materials bei 20℃ (Ω-cm);
γ ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands (℃-1);
T ist die Temperatur (℃).
Durch Einsetzen der Gleichung (1-14) in die Gleichung (1-13) lässt sich das Absorptionsverhältnis bei verschiedenen Temperaturen berechnen, das wie folgt lautet
Wie aus Gleichung (1-15) ersichtlich ist, steigt das Absorptionsverhältnis mit zunehmender Temperatur. Diese Beziehung gilt nicht nur für feste Metalle, sondern auch für flüssige Metalle.
In Tabelle 1-2 sind der spezifische Widerstand p20 und der Temperaturkoeffizient des Widerstands γ für verschiedene Metalle bei 20℃ aufgeführt. Abbildung 1-3 zeigt die Änderung des Absorptionsverhältnisses verschiedener Metalle für einen Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm in Abhängigkeit von der Temperatur, berechnet nach Gleichung (1-15).
Es ist festzustellen, dass sich der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zwar nicht wesentlich von dem von Aluminium und Kupfer unterscheidet, sein spezifischer Widerstand bei 20℃ jedoch viel größer ist, so dass sein Absorptionsverhältnis nicht nur absolut gesehen größer ist, sondern auch schneller mit der Temperatur ansteigt. Insgesamt jedoch sind die polierten Oberflächen der meisten festen metallische Werkstoffe haben ein geringes Absorptionsverhältnis zu einem Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm, keines übertrifft 11%.
Tabelle 1-2: Widerstandswert ρ20 und Temperaturkoeffizient des Widerstands γ für verschiedene Metalle bei 20℃.
| Materialien | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | Materialien | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
| Aluminium | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Nickel | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| Messing | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Platin | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| Bronze | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Silber | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| Kupfer-Nickel-Legierung | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Legierter Stahl | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| Kupfer | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| Gold | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Konstruktionsstahl | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Tantal | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| Eisen | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Zinn | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| Mangan | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | Kadmium | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
| Molybdän | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Zink | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Nichrom-Legierung | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
Die Rauheit der Metalloberfläche, der Zustand der Oxidschicht und das Vorhandensein spezieller Oberflächenbeschichtungen können das Absorptionsverhältnis von Infrarotlasern erheblich beeinflussen.
Die Absorptionsverhältnisse in Tabelle 1-1 wurden an glatten Metalloberflächen im Vakuum gemessen. Die tatsächlichen lasererwärmten Metalloberflächen weisen jedoch aufgrund von Oxidation und Verschmutzung viel größere Absorptionsverhältnisse für Infrarotlaser auf als die Werte in der Tabelle. Der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Absorptionsverhältnis von sichtbarem Licht ist relativ gering.
Tabelle 1-3 zeigt die Auswirkungen der Oberflächenbeschaffenheit von Aluminium und seinen Legierungen auf das Absorptionsverhältnis von CO2 Lasern.
Tabelle 1-3: Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit von Aluminium und seinen Legierungen auf das Absorptionsverhältnis von CO2 Laser[6](%).
| Materialien | Ursprüngliche Oberfläche | Elektropolieren | Sandstrahlen | Eloxieren |
| Reines Aluminium | 7 | 5 | 20 | 22 |
| 5456 Aluminium-Legierung | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
Die auf dem Metall gebildete Oxidschicht Materialien bei hohen Temperaturen erhöht das Absorptionsverhältnis erheblich. Abbildung 1-4 zeigt die Beziehung zwischen dem Absorptionsverhältnis eines Infrarotlasers mit einer Wellenlänge von 10,6 μm auf der Oberfläche von nichtrostendem Stahl 304, der eine Minute lang in Luft oxidiert wurde, und der Oxidationstemperatur; Abbildung 1-5 zeigt die Beziehung zwischen dem Absorptionsverhältnis einer Molybdänoberfläche und demselben Laser mit der Oxidationstemperatur und -zeit.
Da die Dicke der Oxidschicht eine Funktion der Oxidationstemperatur und -zeit ist, wird auch das Absorptionsverhältnis des Lasers von der Oxidationstemperatur und -zeit beeinflusst. Das Absorptionsverhältnis von metallischen Werkstoffen für CO mit einer Wellenlänge von 10,6 μm2 Laser nimmt mit der Temperatur deutlich zu, was auf zwei Faktoren zurückzuführen ist: erhöhter spezifischer Widerstand und Hochtemperaturoxidation der Oberfläche.
Phosphate, Zirkoniumdioxid, Titanoxid, Siliziumdioxid sowie Ruß, Graphit usw. sind Stoffe mit hohem Absorptionsgrad für CO2 Lasern. Oberflächenbeschichtungen, die hauptsächlich aus diesen Stoffen bestehen, können das Absorptionsverhältnis von Metallen gegenüber Infrarotlasern deutlich erhöhen, was zu einer wichtigen Maßnahme geworden ist, die bei der Wärmebehandlung von Laseroberflächen getroffen werden muss.
Doch für Laserschweißenist die Zunahme von Phosphor, Sauerstoff und Kohlenstoff sehr schädlich. Sie können die Plastizität und Zähigkeit des Schweißnahtund ihre Verwendung sollte sorgfältig abgewogen werden.
Wenn der einfallende Laser nicht senkrecht zur Materialoberfläche steht, hängen das Reflexions- und das Absorptionsverhältnis mit dem Polarisationszustand des einfallenden Lasers zusammen. Dieses Problem wurde in Abschnitt 1.1.1 erörtert.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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