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能量耦合系数对激光加工过程的影响

更新时间  2021-09-20 00:53 阅读
本文摘要:激光切割加工是运用激光器与化学物质相互影响的特点,将激光讨论到细微的室内空间,运用密度高的的激光器能量,对原材料推行生产加工。因而,激光切割加工加工工艺科学研究的基本是激光器与化学物质相互影响科学研究。在激光切割加工中,十分瞩目电磁波辐射到产品工件上的激光器能量有多大市场份额被产品工件汲取,这一市场份额一般来说称之为能量耦合系数。

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激光切割加工是运用激光器与化学物质相互影响的特点,将激光讨论到细微的室内空间,运用密度高的的激光器能量,对原材料推行生产加工。因而,激光切割加工加工工艺科学研究的基本是激光器与化学物质相互影响科学研究。在激光切割加工中,十分瞩目电磁波辐射到产品工件上的激光器能量有多大市场份额被产品工件汲取,这一市场份额一般来说称之为能量耦合系数。

充分考虑光纤激光切割成和焊的产品工件绝大多数是金属材料,文中关键解读金属材料的能量耦合系数的涉及到定义、影响因素,最终争辩激光切割加工加工工艺中对能量耦合系数的运用。一、金属材料对激光器的能量耦合系数当光从气体因此以入射角到液體表面时,反射率R(光线散射与入射角强之比)能够答复为:(1)在其中折光率n和消光系数χ各自对理应液體复折射率的实部和虚部。针对不透明色原材料,被汲取的激光器能量市场份额由η=1-R规定,η一般来说称之为能量耦合系数或热耦合系数。

由电子光学涉及到基本定律,针对金属材料,在假定下,有,在其中,是交流电导电率,是真空泵相对介电常数,是入射角的圆频率。这时候表面反射率可近似于为:(2)能量耦合系数为:(3)由此可见,金属材料导电率能越低,即导电率越大,其耦合系数就越小,乃至类似于0,即绝大多数光没被汲取,只是被光线回家了。

式(3)还得到了的关联,它是在假定下的关联。具体情况下耦合系数η随光波长λ的转变更为简易。银、铜、铝等原材料的反射率随光的波长的转变曲线图闻图1。图1银、铜、铝、镍、炭钢的反射率随光波长的转变由图1能够显出:对一般的金属材料来讲,在0.3um~10um股票波段(激光切割加工常见灯源皆位于这一股票波段),耦合系数从总体上是伴随着光波长的减少而扩大。

二、产品工件特点对能量耦合系数的危害前边争辩原材料对激光器的光线和汲取是根据十分理想化的情况,殊不知具体情况有非常大的差别。原材料的温度转变、表面情况及表面经常会出现的熔化、汽化等对能量耦合系数都是会带来较小的危害。1、温度的危害(3)式强调,金属复合材料对激光器的能量耦合系数η两者之间导电率so具备深刻的印象的相互关系,so与温度相关,进而导致能量耦合系数也与温度相关。在室内温度之上十分长的温度转变范畴内,金属复合材料的电阻(即导电率的到数)随温度的降低线形降低,可答复为:(4)这儿为室内温度下的电阻。

据(3)式,对大部分金属材料而言,反射率都随温度的提高而扩大,即能量耦合系数随温度的提高而减少。高碳钢、铁等金属材料对10.6毫米激光器的能量耦合系数随温度的转变曲线图闻图2。图2高碳钢、铁等金属材料的能量耦合系数随温度的转变2、表面情况的危害具体原材料中一般来说所含残渣、缺少,其表面也非理想化表面,表面镀层、表面水解反应层及表面表面粗糙度等要素对其能量耦合系数不容易有非常大的危害。

对金属材料来讲,光的光线与汲取只再次出现在一十分厚的表面内,表面层对其能量耦合系数的危害是非常大的。当金属材料表面附带表面膜层时,激光器入射角到膜层上,造成出射、光线,并不会组成数次反射面波的干涉。当膜层薄厚d与光波长λ合乎一定标准时,将经常会出现汲取峰。

能量耦合系数与原材料表面的表面粗糙度也是有非常大关联。当表面表面粗糙度低于入射角光的波长时,光在峰—谷外壁造成数次光线,一些标准连续性组成干涉,导致抵触的汲取。当表面表面粗糙度超过入射角光的波长时,光线彻底组成全反射,汲取较为较小。报表1得到了几类金属复合材料表面打磨抛光前后左右反射率的转变。

报表1原材料打磨抛光应急处置前后左右反射率的转变3、表面熔化和汽化的危害在激光器与金属材料表面相互影响的全过程中,电磁波辐射处金属的特性转变是很轻度的。温度从室内温度提高到熔点、熔点,其导电率伴随着温度的转变而急遽地转变。因此 ,金属材料表面的反射率也伴随着再次出现急遽的转变。

这类转变是非常简单的,现阶段从理论上仍未下结论心寒的结果。不能用典型性的试验曲线图未作一些定性研究。图3是激光器能量相对密度为7.5×103J/cm2、最高值功率为6×107W/cm2的单脉冲光具有于银表面时,较为反射率随時间的转变。

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图上虚线答复激光器单脉冲的波型。在ab段,电磁波辐射处的温度从室内温度急遽提高,反射率比较慢升高。从理论上推算出来,b点的温度大概为900~1000℃,恰好与银的熔点相符合。

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因而可强调曲线图中的bc段反射率保持稳定,相匹配于金属材料表面超出溶点后,正处在从固体变成液体的热学全过程中。反射率曲线图上的cd段,是反射率更进一步骤降一部分。

它是因为金属材料表面熔化后,表面温度又从溶点以后提高,并急遽地转变到熔点,因此 ,反射率以后升高。因为金属材料表面汽化,金属材料蒸汽很多地汲取激光器辐射。

进而使反射率急遽地降低到超过而超出d。脉冲光最高值之后,因为金属材料表面温度逐渐降低,金属材料反射率又新的比较慢地提高。图3脉冲光电磁波辐射全过程中银的较为反射率随時间的转变三、激光切割加工中对能量耦合系数的运用根据对能量耦合系数的掌握,激光切割加工中有时候不容易对灯源或产品工件保证一些随意选择或变化,已期获得更优的生产加工效率。

比如:(1)随意选择单模激光发生器来生产加工低光线原材料依据图1,针对铜铝,当表面比较干净整洁时,对1.0um周边激光器的光线十分强悍,即能量耦合系数较小。当激光发生器总输出功率受到限制时,就务必促使电磁波辐射到产品工件表面的激光器能量充裕集中化于,即光线品质充裕好,才可以溶化电磁波辐射地区的原材料,即俗话说白了“好钢用在刀刃上”。针对强悍的折射光,要用适度的方式方法去应急处置,不然不容易损坏电子光学元器件。

因而,合适于生产加工低宣扬原材料的单模激光发生器的技术水平要远高于同样输出功率的多模光纤激光发生器。湖南省大科激光器有限责任公司根据对涉及到物理学发展瓶颈的深入分析,开售的KW级单模激光发生器在生产加工低光线原材料层面特性特别是在出色。(2)随意选择合适光波长的激光器来生产加工依据图1,针对一些原材料,绿色光或紫外线股票波段的能量耦合系数比1.0um处要达到数倍。

这类状况下,能够充分考虑用以离散系统直流变频结晶,将1.0um的激光器直流变频为中短波激光器。尽管直流变频高效率受到限制,但充分考虑直流变频后耦合系数的显著提高,有可能得到 更优的生产加工实际效果。(3)变化产品工件表面情况以提高能量耦合系数前文谈及,表面镀层、表面水解反应层及表面表面粗糙度等要素对产品工件能量耦合系数不容易有非常大的危害。

因而,针对光线较强的产品工件,能够根据涂黑涂镀层等方式变化表面情况以提高能量耦合系数。此外,生产加工一些金属材料,比如激光焊接铝制产品工件的全过程中,当溶化再次出现时,耦合系数不容易有显著的提高,加工工艺科学研究时要对于这类转变保证适度应急处置,以得到 不错的焊实际效果。


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