A interacción entre o láser e os materiais implica moitos fenómenos físicos e características. Os próximos tres artigos presentarán os tres fenómenos físicos clave relacionados co proceso de soldadura con láser para proporcionar aos colegas unha comprensión máis clara doproceso de soldadura láser: dividido en taxa de absorción do láser e cambios de estado, plasma e efecto de oco da chave. Nesta ocasión, actualizaremos a relación entre os cambios de estado do láser e os materiais e a taxa de absorción.
Cambios de estado da materia provocados pola interacción entre o láser e os materiais
O procesamento con láser de materiais metálicos baséase principalmente no procesamento térmico de efectos fototérmicos. Cando se aplica a irradiación con láser á superficie do material, produciranse varios cambios na superficie do material a diferentes densidades de potencia. Estes cambios inclúen o aumento da temperatura da superficie, a fusión, a vaporización, a formación de buratos e a xeración de plasma. Ademais, os cambios no estado físico da superficie do material afectan moito á absorción do láser do material. Co aumento da densidade de potencia e do tempo de acción, o material metálico sufrirá os seguintes cambios de estado:
Cando opotencia lásera densidade é baixa (<10 ^ 4w/cm ^ 2) e o tempo de irradiación é curto, a enerxía do láser absorbida polo metal só pode facer que a temperatura do material aumente da superficie cara ao interior, pero a fase sólida permanece inalterada. . Utilízase principalmente para o tratamento de recocido de pezas e de endurecemento por transformación de fases, sendo a maioría ferramentas, engrenaxes e rodamentos;
Co aumento da densidade de potencia do láser (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) e a prolongación do tempo de irradiación, a superficie do material derrete gradualmente. A medida que aumenta a enerxía de entrada, a interface líquido-sólido móvese gradualmente cara á parte profunda do material. Este proceso físico úsase principalmente para fundir superficies, aliaxes, revestimentos e soldeo por condutividade térmica de metais.
Ao aumentar aínda máis a densidade de potencia (>10 ^ 6w/cm ^ 2) e prolongar o tempo de acción do láser, a superficie do material non só se funde senón que tamén se vaporiza, e as substancias vaporizadas reúnense preto da superficie do material e ionizan débilmente para formar un plasma. Este plasma fino axuda o material a absorber o láser; Baixo a presión de vaporización e expansión, a superficie líquida defórmase e forma pozos. Esta fase pódese usar para soldar con láser, normalmente na soldadura de condutividade térmica de empalme de microconexións dentro de 0,5 mm.
Ao aumentar aínda máis a densidade de potencia (>10 ^ 7w/cm ^ 2) e prolongar o tempo de irradiación, a superficie do material sofre unha forte vaporización, formando un plasma con alto grao de ionización. Este plasma denso ten un efecto de blindaxe sobre o láser, reducindo moito a densidade de enerxía do láser que incide no material. Ao mesmo tempo, baixo unha gran forza de reacción de vapor, fórmanse pequenos buratos, comunmente coñecidos como buratos de pechadura, dentro do metal fundido. A existencia de buratos de pechadura é beneficiosa para que o material absorba o láser e esta fase pódese usar para a fusión profunda con láser. soldadura, corte e perforación, endurecemento por impacto, etc.
En diferentes condicións, diferentes lonxitudes de onda de irradiación con láser en diferentes materiais metálicos darán como resultado valores específicos de densidade de potencia en cada etapa.
En canto á absorción do láser polos materiais, a vaporización dos materiais é un límite. Cando o material non sofre vaporización, xa sexa en fase sólida ou líquida, a súa absorción do láser só cambia lentamente co aumento da temperatura superficial; Unha vez que o material se vaporiza e forma plasma e ocos de pechadura, a absorción do láser do material cambiará de súpeto.
Como se mostra na Figura 2, a taxa de absorción do láser na superficie do material durante a soldadura con láser varía coa densidade de potencia do láser e a temperatura da superficie do material. Cando o material non se funde, a taxa de absorción do material ao láser aumenta lentamente co aumento da temperatura da superficie do material. Cando a densidade de potencia é maior que (10 ^ 6 w/cm ^ 2), o material vaporízase violentamente, formando un oco de pechadura. O láser entra no oco da chave para múltiples reflexións e absorción, o que provoca un aumento significativo da taxa de absorción do material para o láser e un aumento significativo da profundidade de fusión.
Absorción de láser por materiais metálicos - Lonxitude de onda
A figura anterior mostra a curva de relación entre a reflectividade, a absorbancia e a lonxitude de onda dos metais de uso común a temperatura ambiente. Na rexión infravermella, a taxa de absorción diminúe e a reflectividade aumenta co aumento da lonxitude de onda. A maioría dos metais reflicten intensamente a luz infravermella de 10,6 um (CO2) de lonxitude de onda mentres que reflicten débilmente a luz infravermella de 1,06 um (1060 nm). Os materiais metálicos teñen taxas de absorción máis altas para láseres de lonxitude de onda curta, como a luz azul e verde.
Absorción de láser por materiais metálicos: temperatura do material e densidade de enerxía do láser
Tomando como exemplo a aliaxe de aluminio, cando o material é sólido, a taxa de absorción do láser é do 5-7%, a taxa de absorción de líquidos é de ata 25-35% e pode alcanzar máis do 90% no estado de oco da chave.
A taxa de absorción do material ao láser aumenta co aumento da temperatura. A taxa de absorción de materiais metálicos a temperatura ambiente é moi baixa. Cando a temperatura sobe preto do punto de fusión, a súa taxa de absorción pode alcanzar o 40% ~ 60%. Se a temperatura está preto do punto de ebulición, a súa taxa de absorción pode chegar ata o 90%.
Absorción de láser por materiais metálicos - Condición da superficie
A taxa de absorción convencional mídese mediante unha superficie metálica lisa, pero en aplicacións prácticas de quecemento con láser, adoita ser necesario aumentar a taxa de absorción de certos materiais de alta reflexión (aluminio, cobre) para evitar falsas soldaduras causadas por alta reflexión;
Pódense utilizar os seguintes métodos:
1. A adopción de procesos de pretratamento de superficie adecuados para mellorar a reflectividade do láser: oxidación de prototipos, chorro de area, limpeza con láser, niquelado, estañado, revestimento de grafito, etc. poden mellorar a taxa de absorción do láser do material;
O núcleo é aumentar a rugosidade da superficie do material (o que é propicio para múltiples reflexións e absorción do láser), así como para aumentar o material de revestimento cunha alta taxa de absorción. Ao absorber a enerxía do láser e fundindo e volatilizando a través de materiais de alta taxa de absorción, a calor do láser transmítese ao material base para mellorar a taxa de absorción do material e reducir a soldadura virtual causada polo fenómeno de alta reflexión.
Hora de publicación: 23-nov-2023
