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精密零部件加工中不同材料对激光的吸收率与反射率

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精密零部件加工中不同材料对激光的吸收率与反射率

发布日期:2019-02-21 作者:EarcLink 点击:

金属材料对激光的吸收与反射。

导电介质的特征是存在许多未被束缚的自由电荷,对金属来讲,电荷就是电子,共运动 形成了电流(金属中1cm中电子个数约为10的22次方的数量级),因此金属的电导率。很大,其电 荷密度P会很快地衰减为零,可以认为金属中的电荷密度P为零。金属中,传导电子和进行 热扰动的品格或缺陷发午碰撞,将入射的光波能量不呵逆地转化为焦耳热。因此,光波在金 属中传播时,会被强烈地吸收。

不同金属材料对光的反射能力 金属材料对激光的反射反射率与金属表面的粗糙度有关,镜面的反射率最高。Au、Cu、Mo的反射率特别高,常可用来作反射镜。但是由于钢铁对红外波长的激光的反射率也很高,给激光加工带来不利的一面,但钢、铁工件的表面经黑化处理以后,能吸收80%以上的激光功率。用不同类型的激光器加工时,应该注意到,材料的反射系数及吸收的光能取决于激光辐射的波长:激光器辐射波长越短,金属的反射系数就越小,所吸收的光能就越多,金属对激光的反射因激光的波长而不同。 

当光照射在清洁磨光的金属表面时,金属中的自由电子将在光波电磁场的作用下发生强迫 振动,产生次波,这些次波构成了很强的反射波和较弱的透射波,这些透射波很快被吸收。 由物理光学可知,金届材料的折射率为复数,光波在金属中传播时,定义光波振幅衰减 到表面振幅的1/e时的传播距离为穿透深度,这个穿透深度的数量级比波长的小。一种材料 若是透明的.它的穿透深度必须大于它的厚度。可见光波只能透入金属表面很海的一层内, 因此通常情况下,金属是不透明的。例如,铜在100 nm的紫外光照射厂的穿透深度约为o.6 nm,而在10000 nm的红外光照射下的穿透深度约为6nm。当把金属做成很薄的薄膜时,它 可以变成透明的。

金属对光波具有强吸收和强反射作用。强吸收指的是在小于波长数量级的穿透深度 内.金属中的传导电子将入射的光波能量转化为焦耳热,一般在10‘l一10“。s的时间内被 强烈地吸收,促由于实透深度很小,因此电子耗散的总能量很小。强反射指的是由于金属表 面的反射牟比透明介质(如普通光学玻璃)的高得多,大部分入射能量都被金属表面反射掉。 各种金属因其自由电子密度小同,反射光波的能力不向。一般情况下,自由电子密度越大, 即电才率越大,反射率越南。

入射光波长不同,反射率不同。在可见光和红外光波段范围内,大多数金属都有很高的 反射率,可达78%一g8%.而在紫外光波段,其吸收率很高。因为波长较长(频率较低)的红 外光的光子能量较低,丰要对金届中的自由电子发个作用.使金属的反射率高;而波长较短 (频率较高)的可见光和紫外光,其光子能虽较高.可以对金届中的束缚电子发生作用。束缚 电子本身的固有频率正处在可见光和紫外光波段,它将使金属的反射率降低,透射率增大. 呈现出非金属的光学性质。

正因为金属表面的反射率随激光波长变化而变化,所以在激光加上中.为了有效地利用 激光能量,应当根据不问的材料选用不向波长的激光。红外光波段的10 600 nm c();激光和 1064nm Nd:YAG激光一般不能直接用于金属表面处理.需要在表面加吸收涂层或氧化膜 层。材料对紫外光波段的准分子激光吸收串高,因此准分子激光是理想的激光加工波段。 由表1.1可以看出,室温下金属表面对可见光的吸收率比对10600 nm红外光的吸收率高 得多。

激光能量向金属的传输过程,就是金属对激光的吸收过程。金属中的自由电子密度越 大,金属的电阻越小,自由电子受迫振动产生的反射波越强.反射率越高。一般导电性越好 的金属,其对红外激光的反射率越高。

在可见光和红外光波段,大多数金属吸收光的深度均小于10 nm。当激光照射到金属表 面时,激光与金属材料相互作用,作用区的表面薄层吸收了激光能量,在10的负11次方~10的负10次方的时 间内转换为热能.使表面温度升高.向时金属表面发生氧化和被污染,提高了金届表面的粗 糙度。粗糙表面与光滑表面相比,其吸收率可以提高1倍。金属被加热到高温并保持足够时 间后,金属与环境介质将发生相互作用,使表面发生化学成分的变化。例如,含碳量较高的 钢或铸铁,在氧化作用下,激光使其加热到高温,在表面层会产生一个非常薄的脱碳区。当 金属表面授盖有石墨、渗硼刑、碳、钳和钨等介质时,可以利用激光实现钢的渗碳、渗硼和激 光表面合金化。在对金属表面处理后,如用阳极氧化处理铝表面,可以使铝对10600 nm c02 激光的吸收率接近100%。 


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