علل و اثرات جذب کم لیزرهای مادون قرمز بر روی مواد بسیار بازتابنده
لیزرهای مادون قرمزبه طور گسترده در پردازش فلزات استفاده می شوند، اما برای مواد بسیار بازتابنده مانند مس، آلومینیوم، طلا و نقره، میزان جذب به طور کلی کم است. جذب کم به طور مستقیم بر راندمان کوپلینگ انرژی لیزر، پایداری پردازش و پنجره فرآیند کلی تأثیر می گذارد. موارد زیر پدیده ها را بر اساس ویژگی های مواد، پارامترهای لیزر و مکانیسم های تعامل نوری توضیح می دهد.
I. خواص نوری مواد بسیار بازتابنده
مواد بسیار بازتابنده دارای غلظت بالای الکترون آزاد هستند و سطوح آنها در محدوده طول موج مادون قرمز بازتابندگی بالایی را نشان می دهد. بازتابندگی سطح عمدتاً توسط ضریب شکست پیچیده ماده تعیین می شود که در آن قسمت های واقعی و موهومی مربوط به رسانایی الکتریکی، رفتار بازتاب و جذب را در رابط دیکته می کنند. برای طول موج های مادون قرمز (مانند 1064 نانومتر یا نزدیک مادون قرمز)، بازتابندگی مس و آلومینیوم می تواند از 90٪ فراتر رود، با میزان جذب تنها حدود 3٪ تا 7٪. بنابراین، انرژی لیزر نمی تواند به طور موثر در ماده رسوب کند.
II. ویژگی های طول موج لیزرهای مادون قرمز
طول موج لیزرهای مادون قرمز در ناحیه پاسخ جذب ضعیف الکترون های آزاد فلزی قرار دارد. در این محدوده طول موج، فلزات عمق پوست کمی دارند، به این معنی که انرژی نوری به صورت الکترومغناطیسی در یک لایه سطحی بسیار کم عمق کاهش می یابد و در نتیجه جذب موثر محدودی دارد. در همین حال، انرژی فوتون نور مادون قرمز کم است و نمی تواند باعث ایجاد کوپلینگ الکترومغناطیسی قوی شود و راندمان تعامل بین لیزر و سطح فلز را کاهش می دهد.
III. تأثیر زاویه تابش لیزر و قطبش بر جذب
زاویه تابش و حالت قطبش رفتار بازتاب را در رابط تغییر می دهد. نور S-polarized بازتابندگی بالاتری را روی سطوح فلزی دارد، در حالی که نور P-polarized می تواند در زوایای خاص به بازتابندگی کمتری دست یابد. با این حال، در جوشکاری، تمیز کردن یا علامت گذاری عملی، حفظ جهت قطبش پایدار دشوار است، بنابراین جذب کلی کم باقی می ماند.
IV. تأثیر شرایط سطح مواد بر جذب
زبری سطح، ضخامت لایه اکسید و آلودگی بر پراکندگی و جذب انرژی لیزر تأثیر می گذارد. نمونه ها عبارتند از:
لایه های اکسید می توانند جذب مس را در محدوده مادون قرمز افزایش دهند.
سطوح زبر اجازه پراکندگی های متعدد را می دهند و جذب موثر را افزایش می دهند.
با این حال، در مرحله پردازش اولیه مواد بسیار بازتابنده صاف، جذب همچنان به طور قابل توجهی کم است.
V. اثرات جذب کم بر پردازش
مشکل کوپلینگ انرژی: انرژی لیزر نمی تواند به طور موثر رسوب کند و در نتیجه نفوذ جوش ناکافی یا راندمان علامت گذاری کم است.
افزایش خطر بازتاب: بازتابندگی بالا ممکن است باعث بازگشت لیزر شود و به طور بالقوه به اجزای نوری داخلی منبع لیزر آسیب برساند.
پنجره فرآیند باریک تر: پردازش به قدرت، موقعیت فوکوس و سرعت اسکن بسیار حساس می شود و منجر به نتایج ناپایدار می شود.
ذوب اولیه دشوار: در شروع پردازش، جذب کم از تشکیل حوضچه ذوب پایدار جلوگیری می کند و به چگالی انرژی بالاتری نیاز دارد.
VI. روش هایی برای بهبود جذب لیزر مادون قرمز بر روی مواد بسیار بازتابنده
افزایش چگالی توان: اندازه نقطه را کاهش دهید یا توان پیک را افزایش دهید تا کوپلینگ انرژی اولیه تقویت شود.
استفاده از فرآیندهای لیزر مدوله شده (به عنوان مثال، پالس های MOPA): توان پیک بالا در پالس ها می تواند به سرعت سطح مواد را گرم کرده و بازتابندگی را کاهش دهد.
پیش تصفیه سطح: زبر کردن، سندبلاست، تمیز کردن یا اکسیداسیون کنترل شده می تواند جذب را بهبود بخشد.
استفاده از شکل موج های متغیر یا لیزرهای چند حالته: عرض پالس ها و فرکانس های مختلف پایداری جذب را بهبود می بخشد.
استفاده از لیزرهای آبی یا سبز به جای مادون قرمز: لیزرهای نور مرئی جذب بسیار بالاتری بر روی مس، آلومینیوم و مواد مشابه دارند، بسته به الزامات تجهیزات.