激光吸收率及激光与材料作用物态变化柳州激光切割

激光与材料的相互作用涉及很多物理现象特征，接下来三篇文章将分别介绍激光工艺基础相关的激光焊接过程三个关键的物理现象，以便同行能够对激光焊接过程有更为清晰的认识：分被为激光吸收率及物态变化、等离子体与匙孔效应，本次先更新激光与材料的物态变化与吸收率之间的关系。

激光与材料作用引起的物态变化

     金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，激光辐照在材料表面时，在不同的功率密度下，材料表面区域将发生各种不同的变化。这些变化包括表面温度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及产生等离子体等。而且材料表面区域物理状态的变化极大的影响材料对激光的吸收，随功率密度与作用时间的增加，金属材料将会发生以下几种物态变化：

        当激光功率密度较低 (<10^4w/cm^2)、辐照时间较短时，金属吸收的激光能量只能引起材料由表及里温度升高，但维持固相不变，主要用于零件退火和相变硬化处理，刀具、齿轮、轴承居多；

    随着激光功率密度的提高 (10^4~10^6w/cm^2)和辐照时间的加长，材料表层逐渐熔化，随输入能量增加，液-固相分界面逐渐向材料深部移动，这种物理过程主要用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。

      进一步提高功率密度(>10^6w/cm^2)和加长激光作用时间，材料表面不仅熔化，而且汽化，汽化物聚集在材料表面附近并微弱的电离形成等离子体，这种稀薄等离子体有助于材料对激光的吸收；在汽化膨胀压力下，液态表面变形，形成凹坑，这一阶段可以用于激光焊接，柳州激光切割一般在微连接0.5mm以内的拼接热导焊。

       再进一步提高功率密度(>10^7w/cm^2)和加长辐照时间，材料表面强烈汽化，形成较高电离度的等离子体，这种致密的等离子体对激光有屏蔽作用，大大降低激光入射到材料内部的能量密度，同时在较大的蒸气反作用力下，熔化的金属内部形成小孔，通常称之为匙孔，匙孔的存在有利于材料对激光吸收，这一阶段可用于激光深熔接、切和打孔、冲击硬化等。

      不同条件下，不同波长激光照射不同金属材料，每一阶段的功率密度的具体数值会存在一定的差异。

        就材料对激光的吸收而言，材料的汽化是一个分界限。当材料没有发生汽化时，不论处于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化;而一旦材料出现汽化并形成等离子体和匙孔，材料对激光的吸收则会突然发生变化。

        如图2为激光焊接过中材料表面对激光的吸收率随激光功率密度以及材料表面温度的变化。当材料未溶化时，材料对激光的吸收率随着材料表面温度的增高缓慢增加，当功率密度大于 (10^6w/cm^2)时，材料剧烈汽化，形成匙孔，激光进入匙孔多次反射吸收，激光切割厂家使得材料对激光的吸收率剧增，熔深会显著增加。

金属材料对激光的吸收-波长

      上图为常用金属在室温下的反射率、吸收率与波长的关系曲线。在红外区,近似的有随着波长的增加吸收率减小,反射率增大。大部分金属对 10.6um（CO2）波长红外光反射强烈而对 1.06um (1060nm) 波长红外光反射较弱，金属材料对短波长激光吸收率较高，如蓝光、绿光。

金属材料对激光的吸收-材料温度与激光能量密度

     以铝合金为例，材料为固体时对激光吸收率在5-7%左右，液体吸收率到25-35%，匙孔状态下能到90%以上[1]。

        材料对激光的吸收率随温度升高而增大。金属材料在室温时的吸收率均很小,当温度升高到接近熔点时,其吸收率可达 40%~60%如温度接近沸点,其吸收率高达90%。

金属材料对激光的吸收-表面状况

     常规的吸收率是采用光洁的金属表面测得的，而在激光加热的实际应用中，通常需要提高某些高反材料（铝、铜）对激光的吸收率，以避免出现高反导致虚焊；

       可以采用以下方法:

       1、采取适当的表面预处理工艺，提高对激光的吸收射率：阳极氧化、喷砂、激光清洗、镀镍、镀锡、石墨涂层等都可改善材料对激光的吸收率 ；

    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镀层材料，通过高吸收率材料吸收激光能量熔化挥发，传导激光热量到母材提高材料吸收率，降低高反现象所导致的虚焊。

       参考文献[1]黄延禄,杨福华,梁工英等.用原位法测定铝合金对激光的吸收率[J].中国激光,2003(05):449-453.

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