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激光与材料相互作用详解!

激光与材料相互作用详解

建材网 广州德兰激光科技有限公司:专业制造生产激光喷码机,二氧化碳激光打标机,半导体激光打标机,光纤激光打标机,激光打码机
      如果想了解激光对材料作用力的过程,就得先明白激光的基本动作原理,作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑,无需与材料直接接触,即可与材料发生质改变的相互作用。由于激光的性能不断提高,所以现在市面上的的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度,这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。为了更好地了解激光的潜能,工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。在决定使用何种激光前,工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行材料加工。只有长度了解这些知识后,工程师才能对激光的应用做出恰当的选择.

现在市场上激光打标机行业主要分为,CO2激光打标机半导体激光打标机、光纤激光打标机和YAG激光打标机,目前激光打标机主要应用于一些要求更精细、精度更高的场合。应用于电子元器件、集成电路(IC)、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材。

      激光打标机行业参数处于红外波段,CO2激光一10.6um,YAG激光1.06um,从材料吸收激光能量而产生的温度升高的形式,可以把激光对材料动作的过程分为以下部分;

      激光光束投射在材料表面时,部分能量被反射,部分被吸收,部分被传递出去,具体情况取决于材料类型和激光波长。在到达材料表面的光能中,被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的。光能以电子和原子的振动激发形式被吸收,并转化为热能,扩散至临近原子。随着吸收的光子越来越多,材料温度不断升高,从而提高光能吸收的比例。该过程可引发连锁反应,使温度在极短时间内(焊接中通常为一毫秒内)急剧升高。温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。

     激光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束传播的距离。该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为

L = [4Dt]1/2,

                                             其中L为扩散距离,D为热扩散率,t 为激光的脉冲宽度。

     如果热扩散距离远大于吸收长度,激光光斑处的温度升高将很有限。相反,如果扩散距离小于吸收深度,温度将急剧升高,导致材料熔化,甚至汽化。要达到预期的效果,无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工,工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。当光吸收深度与热扩散距离相等时,可以达到一个临界值,可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。




 




 

 

 

 

 

 

 

 

        上面表II列出了使用248nm波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算结果。由于各种金属的吸收深度接近,脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。例如,不锈钢与镍相比导热性较差,因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度;另一方面,与镍相比,硅导热性更好,因此烧蚀时需要较短的脉冲

         有人认为,采用飞秒脉冲时,由于功率密度高、时帧短,激光与材料间的相互作用发生在多光子非线性过程中。此过程极为迅速,因此可以认为光束实际上一瞬间即可去除表面的原子,而不影响临近原子。由于飞秒激光不会在暴露表面上留下扰动层,因而适合微加工。

         对于烧蚀来说,所用脉冲宽度必须小于表II中计算的临界值,但这样还不够。还必须保证脉冲具有足够的能量,以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。对于一定的脉冲能量来说,随着脉冲时间的缩短,热量越来越被局限在激光光斑附近,逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。选定合适的波长后,就要确定脉冲能量和脉冲宽度的组合,从而确定材料加工的类型。不同加工应用中常用的脉冲宽度和能量密度值列于表III中。



尽管激光与材料间的相互作用基本相似,但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。图1显示了金属、塑料、陶瓷和玻璃的吸收长度-波长曲线。 图中曲线为示意图,仅供讨论,而且仅于室温下有效。《激光工业应用(Industrial Applications of Lasers)》和《美国激光学会激光材料加工手册(LIA Handbook of Laser Materials Processing)》1,2 中列出了各种材料的吸收特性。





                                    图1





 

 

 

 

 

 

 

       激光无法透过金属材料,部分能量会被吸收和反射掉。金属吸收二氧化碳激光的能力较弱,激光波长越小,吸收率越高,能量传递效率也越高。尽管金属对二氧化碳激光的吸收较少,但只要能量密度很大,二氧化碳激光仍可有效用于金属的焊接和切割。与金属相反,陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。但由于陶瓷的抗热冲击性能差、熔点高,因此加工难度比金属大。玻璃只能吸收一小部分的YAG激光入射能,但由于玻璃导热性差,因而较易熔化。





 





塑料能够更好地吸收激光能量,特别是紫外线激光和二氧化碳激光。一些波长位于紫外线范围的激光能够打断塑料分子中特定的化学键(见表IV),这为激光增添了一些新的用途。通过这些波长的激光,可以选择性地改变材料的表面性质。此外,如果塑料足够透明,工程师还能改变其表面下的材料性质



表IV. 一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料中的化学键

 


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