Boks Kracht Berekenaar & Formule (Online & Gratis)
Heb je je ooit afgevraagd hoe je kunt zorgen voor een succesvol metaalstempelproject? In deze blogpost duiken we in de kritieke factoren die uw stempelproces kunnen maken of breken....
Wat maakt de interactie tussen metaal en laser zo fascinerend? Het is de wisselwerking tussen licht en geladen metaaldeeltjes die resulteert in verschillende niveaus van reflectie, absorptie en transmissie. Dit artikel duikt in de wetenschap achter metaal-laser absorptie en onderzoekt factoren zoals lasergolflengte, materiaaleigenschappen, temperatuur en oppervlaktegesteldheid. Lezers leren hoe deze elementen de energieoverdracht tijdens laserbewerking beïnvloeden en krijgen inzicht in het optimaliseren van lasergebruik voor meer efficiëntie en precisie.
De reflectie, absorptie en transmissie van licht op het materiaaloppervlak zijn hoofdzakelijk het resultaat van de interactie tussen het elektromagnetische veld van lichtgolven en de geladen deeltjes in het materiaal. Metalen hebben een hoge dichtheid van vrije elektronen die door het elektromagnetische veld van lichtgolven gedwongen worden om te trillen, waardoor secundaire elektromagnetische golven (subgolven) ontstaan.
De interferentie tussen deze subgolven en tussen de subgolven en de invallende golven resulteert in sterke gereflecteerde golven en relatief zwakke uitgezonden golven, die worden geabsorbeerd door een dunne laag metaaloppervlak. Daarom heeft het metaaloppervlak vaak een hoge reflectieverhouding tot de laser. Vooral voor laagfrequent infrarood licht is de fotonenergie laag, waardoor voornamelijk vrije elektronen in het metaal worden beïnvloed en sterk worden gereflecteerd.
Bij hogerfrequent zichtbaar licht en ultraviolet licht met een grotere fotonenergie kunnen ze gebonden elektronen in het metaal beïnvloeden. De werking van gebonden elektronen zal het reflectievermogen van metaal verminderen, de doorlaatbaarheid verhogen en de absorptie van de laser door het metaal verbeteren.
Door de hoge dichtheid van vrije elektronen wordt de uitgezonden golf geabsorbeerd binnen een zeer dunne oppervlaktelaag van metaal. Metingen van ultraviolet licht met een golflengte van 0,25 μm tot infrarood licht met een golflengte van 10,6 μm tonen aan dat de penetratiediepte van licht in verschillende metalen slechts 0,01~0,1 μm is.
Zoals hierboven uitgelegd is de penetratiediepte gelijk aan de reciproke van de lineaire absorptiecoëfficiënt, dus de lineaire absorptiecoëfficiënt van metaal voor lichtgolven is groot, tussen 105~106 cm-1.
Na absorptie van de laser zet het materiaal lichtenergie om in warmte-energie door de resonantie van geladen deeltjes en botsingen tussen de deeltjes op te wekken. Het hele proces wordt in zeer korte tijd voltooid. De totale energiereductietijd voor metalen is meestal 10-13s. Voor algemene laserbewerkingwordt aangenomen dat de omzetting van geabsorbeerde laser in warmte-energie onmiddellijk wordt voltooid.
Op dat moment wordt de warmte beperkt tot het laserbestralingsgebied van het materiaal. Daaropvolgende warmtegeleiding transporteert de warmte van gebieden met een hoge temperatuur naar gebieden met een lagere temperatuur.
De absorptie van laser door metaal is gerelateerd aan een reeks factoren zoals lasergolflengte, materiaaleigenschappen, temperatuur, oppervlaktegesteldheid en polarisatiekarakteristieken.
In het algemeen geldt: hoe langer de lasergolflengte, hoe hoger de reflectieverhouding en hoe lager de absorptieverhouding.
Figuur 1-2 toont het verband tussen de reflectieverhouding R van veelgebruikte metalen bij kamertemperatuur en de golflengte. In het infraroodgebied is de absorptieverhouding A ongeveer evenredig met (ρ/λ)1/2waarbij ρ de weerstand van het materiaal is en λ de golflengte. Als de golflengte toeneemt, neemt de absorptieverhouding A af en de reflectieverhouding R toe.
De absorptieverhouding A van verschillende metalen bij verschillende lasergolflengten bij 20℃ is weergegeven in Tabel 1-1.
Zoals kan worden gezien in tabel 1-1, bij kamertemperatuur, de absorptie ratio van de 10,6μm golflengte infrarood laser op het metaaloppervlak is bijna een orde van grootte kleiner dan die van zichtbaar licht (de laser golflengten in de tabel zijn 500nm en 700nm), en de absorptie ratio van de 1,06μm YAG infrarood laser is aanzienlijk groter dan die van de CO2 laser.
Tabel 1-1: Absorptieverhoudingen van verschillende metalen bij verschillende lasergolflengten bij 20℃
| Materialen | Argon Ionen | Ruby | YAG | CO2 |
| Golflengte | 500nm | 700nm | 1,06 µm | 10,6 µm |
| Aluminium | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| Koper | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| Goud | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| Iridium | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| IJzer | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Lood | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Molybdeen | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| Nikkel | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
| Niobium | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
| Platina | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
| Nikkel | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| Zilver | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| Tantaal | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Tin | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| Titanium | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| Wolfraam | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| Zink | - | - | 0.16 | 0.027 |
Zoals getoond in Figuur 1-2, in het zichtbare lichtgebied en de aangrenzende gebieden, verschillende metalen vertonen complexe variaties in reflectiecoëfficiënt. In het infraroodbereik, waar λ>2μm, is de volgorde van reflectie voor metalen als volgt: Zilver > Koper > Aluminium > Nikkel > Koolstofstaal, wat aangeeft dat hoe beter het geleidingsvermogen van het materiaal is, hoe hoger de reflectie op infrarode straling.
Deze regel kan worden verklaard door het mechanisme van hoe deze metalen laser absorberen: in deze infrarode band is de fotonenergie laag en kan alleen koppelen met de vrije elektronen in het metaal. Hoe lager de weerstand van het metaal, hoe groter de dichtheid van vrije elektronen. De geforceerde trilling van vrije elektronen produceert sterkere gereflecteerde golven, wat resulteert in een hogere reflectieverhouding.
Berekeningen laten zien dat er bij benadering de volgende relatie is tussen de absorptieverhouding en de metaalweerstand:
In de formule:
A vertegenwoordigt de absorptieverhouding van het metaal ten opzichte van de laser;
ρ de weerstand van het metaalmateriaal is op het moment van de meting (Ω-cm);
λ is de golflengte van de laser (cm).
Deze relatie is bevestigd door tests op verschillende gepolijste metalen oppervlakken.
De weerstand van het metaal neemt toe met de temperatuurstijging, wat aantoont dat:
In de vergelijking:
ρ20 de weerstand van het metaalmateriaal bij 20℃ (Ω-cm);
γ is de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand (℃-1);
T is de temperatuur (℃).
Door vergelijking (1-14) in vergelijking (1-13) te substitueren, kunnen we de absorptieverhouding bij verschillende temperaturen berekenen:
Zoals uit vergelijking (1-15) blijkt, neemt de absorptieverhouding toe met de temperatuurstijging. Deze relatie geldt niet alleen voor vaste metalen, maar ook voor vloeibare metalen.
Tabel 1-2 geeft de weerstand p20 en temperatuurscoëfficiënt van de weerstand γ voor verschillende metalen bij 20℃. Figuur 1-3 toont de verandering in de absorptieverhouding van verschillende metalen voor een infraroodlaser met een golflengte van 10,6 μm met de temperatuur, berekend volgens vergelijking (1-15).
Opgemerkt wordt dat hoewel de temperatuursweerstandscoëfficiënt voor staal met een laag koolstofgehalte niet significant verschilt ten opzichte van aluminium en koper, de weerstand bij 20℃ veel groter is, waardoor de absorptieverhouding niet alleen groter is in absolute waarde, maar ook sneller toeneemt met de temperatuur. Echter, over het algemeen zijn de gepolijste oppervlakken van de meeste vaste stoffen metalen materialen hebben een lage absorptieverhouding tot een laser met een golflengte van 10,6 μm en geen enkele is beter dan 11%.
Tabel 1-2: Weerstand ρ20 en temperatuurweerstandscoëfficiënt γ voor verschillende metalen bij 20℃.
| Materialen | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | Materialen | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
| Aluminium | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Nikkel | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| Messing | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Platina | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| Brons | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Zilver | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| Koper-Nikkel legering | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Gelegeerd staal | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| Koper | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Laag Koolstofstaal | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| Goud | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Constructiestaal | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Tantaal | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| IJzer | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Tin | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| Mangaan | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | Cadmium | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
| Molybdeen | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Zink | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Nichrome legering | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
De ruwheid van het metaaloppervlak, de toestand van de oxidelaag en de aanwezigheid van speciale oppervlaktecoatings kunnen de absorptieverhouding van infraroodlasers aanzienlijk beïnvloeden.
De absorptieverhoudingen in tabel 1-1 zijn gemeten bij gladde metalen oppervlakken in vacuüm. De werkelijke met laser verhitte metalen oppervlakken hebben echter, als gevolg van oxidatie en verontreiniging, veel grotere absorptieverhoudingen voor infrarood lasers dan de waarden in de tabel. De invloed van de oppervlaktegesteldheid op de absorptieverhouding van zichtbaar licht is relatief klein.
Tabel 1-3 toont het effect van de oppervlaktegesteldheid van aluminium en aluminiumlegeringen op de absorptieverhouding van CO2 lasers.
Tabel 1-3: Invloed van de oppervlaktegesteldheid van aluminium en zijn legeringen op de absorptieverhouding van CO2 lasers[6](%).
| Materialen | Origineel oppervlak | Elektrolytisch polijsten | Zandstralen | Anodiseren |
| Zuiver aluminium | 7 | 5 | 20 | 22 |
| 5456 aluminiumlegering | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
De oxidelaag gevormd op metaal materialen bij hoge temperaturen verhoogt de absorptieverhouding aanzienlijk. Figuur 1-4 toont de relatie tussen de absorptieverhouding van een infrarood laser met een golflengte van 10,6 μm op het oppervlak van 304 roestvast staal dat 1 minuut in lucht geoxideerd is en de oxidatietemperatuur; Figuur 1-5 toont de relatie tussen de absorptieverhouding van een molybdeen oppervlak en dezelfde laser met de oxidatietemperatuur en -tijd.
Aangezien de dikte van de oxidelaag een functie is van de oxidatietemperatuur en -tijd, wordt de absorptieverhouding van de laser ook beïnvloed door de oxidatietemperatuur en -tijd. De absorptieverhouding van metaalmaterialen tot een CO2 laser neemt aanzienlijk toe met de temperatuur door twee factoren: verhoogde weerstand en oxidatie van het oppervlak bij hoge temperatuur.
Fosfaten, zirkoniumoxide, titaniumoxide, silica, maar ook roet, grafiet, enz. zijn stoffen met een hoge absorptieverhouding tot CO2 lasers. Oppervlaktecoatings die voornamelijk uit deze stoffen bestaan, kunnen de absorptieverhouding van metalen voor infraroodlasers aanzienlijk verhogen, wat een belangrijke maatregel is geworden die moet worden genomen tijdens de warmtebehandeling van laseroppervlakken.
Echter, voor laserlassenDe toename van fosfor, zuurstof en koolstof is zeer schadelijk. Ze kunnen de plasticiteit en taaiheid van de lasnaaden het gebruik ervan moet zorgvuldig worden overwogen.
Zodra de invallende laser niet loodrecht op het materiaaloppervlak staat, zijn de reflectieverhouding en absorptieverhouding gerelateerd aan de polarisatietoestand van de invallende laser. Deze kwestie is besproken in paragraaf 1.1.1.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
ES 
FR 
RU 
DE 
PT 