Przyczyny i skutki niskiej absorpcji laserów podczerwonych na materiałach wysoce odblaskowych
Lasery podczerwonesą szeroko stosowane w obróbce metali, ale w przypadku materiałów wysoce odblaskowych, takich jak miedź, aluminium, złoto i srebro, współczynnik absorpcji jest generalnie niski. Niska absorpcja bezpośrednio wpływa na efektywność sprzężenia energii lasera, stabilność procesu i ogólne okno procesowe. Poniżej wyjaśniono zjawiska w oparciu o charakterystykę materiałów, parametry lasera i mechanizmy interakcji optycznej.
I. Właściwości optyczne materiałów wysoce odblaskowych
Materiały wysoce odblaskowe charakteryzują się wysokim stężeniem wolnych elektronów, a ich powierzchnie wykazują wysoką refleksyjność w zakresie długości fal podczerwonych. Refleksyjność powierzchni jest głównie określana przez złożony współczynnik załamania materiału, w którym część rzeczywista i urojona związana z przewodnictwem elektrycznym dyktują zachowanie odbicia i absorpcji na granicy faz. Dla długości fal podczerwonych (takich jak 1064 nm lub bliska podczerwień), refleksyjność miedzi i aluminium może przekraczać 90%, przy współczynnikach absorpcji wynoszących zaledwie około 3%–7%. Dlatego energia lasera nie może być skutecznie deponowana w materiale.
II. Charakterystyka długości fal laserów podczerwonych
Długość fali laserów podczerwonych mieści się w strefie słabej odpowiedzi absorpcyjnej wolnych elektronów metalicznych. W tym zakresie długości fal metale mają małą głębokość wnikania, co oznacza, że energia optyczna zanika elektromagnetycznie w bardzo płytkiej warstwie powierzchniowej, co skutkuje ograniczoną efektywną absorpcją. Jednocześnie energia fotonów światła podczerwonego jest niska i nie może wywołać silnego sprzężenia elektromagnetycznego, zmniejszając efektywność interakcji między laserem a powierzchnią metalu.
III. Wpływ kąta padania i polaryzacji lasera na absorpcję
Kąt padania i stan polaryzacji zmieniają zachowanie odbicia na granicy faz. Światło spolaryzowane S ma wyższą refleksyjność na powierzchniach metalowych, podczas gdy światło spolaryzowane P może osiągnąć niższą refleksyjność pod określonymi kątami. Jednak w praktycznych zastosowaniach spawalniczych, czyszczących lub znakujących utrzymanie stabilnego kierunku polaryzacji jest trudne, więc ogólna absorpcja pozostaje niska.
IV. Wpływ warunków powierzchniowych materiału na absorpcję
Chropowatość powierzchni, grubość warstwy tlenkowej i zanieczyszczenia wpływają na rozpraszanie i absorpcję energii lasera. Przykłady obejmują:
Warstwy tlenkowe mogą zwiększyć absorpcję miedzi w zakresie podczerwieni.
Chropowate powierzchnie umożliwiają wielokrotne rozpraszanie, zwiększając efektywną absorpcję.
Jednak w początkowym etapie obróbki gładkich materiałów wysoce odblaskowych absorpcja pozostaje znacznie niska.
V. Skutki niskiej absorpcji w procesie obróbki
Trudności w sprzężeniu energii: Energia lasera nie może być skutecznie deponowana, co skutkuje niewystarczającym wnikaniem spoiny lub niską wydajnością znakowania.
Zwiększone ryzyko odbicia wstecznego: Wysoka refleksyjność może powodować powrót lasera, potencjalnie uszkadzając wewnętrzne elementy optyczne źródła lasera.
Węższe okno procesowe: Obróbka staje się wysoce wrażliwa na moc, pozycję ogniskowania i prędkość skanowania, prowadząc do niestabilnych wyników.
Trudne początkowe topienie: Na początku obróbki niska absorpcja uniemożliwia stabilne tworzenie się basenu topnienia, wymagając wyższej gęstości energii.
VI. Metody poprawy absorpcji laserów podczerwonych na materiałach wysoce odblaskowych
Zwiększenie gęstości mocy: Zmniejszenie rozmiaru plamki lub zwiększenie mocy szczytowej w celu wzmocnienia początkowego sprzężenia energii.
Użycie modulowanych procesów laserowych (np. impulsy MOPA): Wysoka moc szczytowa w impulsach może szybko nagrzewać powierzchnię materiału i zmniejszać refleksyjność.
Wstępna obróbka powierzchni: Chropowacenie, piaskowanie, czyszczenie lub kontrolowane utlenianie mogą poprawić absorpcję.
Użycie zmiennych przebiegów lub laserów wielomodowych: Różne szerokości i częstotliwości impulsów poprawiają stabilność absorpcji.
Użycie laserów niebieskich lub zielonych zamiast podczerwonych: Lasery światła widzialnego mają znacznie wyższą absorpcję na miedzi, aluminium i podobnych materiałach, w zależności od wymagań sprzętowych.