A interacción entre o láser e os materiais implica moitos fenómenos e características físicas. Os seguintes tres artigos presentarán os tres fenómenos físicos clave relacionados co proceso de soldadura 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 burato de fechadura. Esta vez, actualizaremos a relación entre os cambios de estado do láser e os materiais e a taxa de absorción.
Cambios de estado da materia causados pola interacción entre o láser e os materiais
O procesamento láser de materiais metálicos baséase principalmente no procesamento térmico dos efectos fototérmicos. Cando se aplica irradiación láser á superficie do material, prodúcense varios cambios na área superficial do material a diferentes densidades de potencia. Estes cambios inclúen o aumento da temperatura superficial, a fusión, a vaporización, a formación de buratos de fechadura e a xeración de plasma. Ademais, os cambios no estado físico da área superficial do material afectan en gran medida á absorción do láser por parte do material. Co aumento da densidade de potencia e do tempo de acción, o material metálico sufrirá os seguintes cambios de estado:
Cando o/apotencia lásera densidade é baixa (<10 ^ 4w/cm ^ 2) e o tempo de irradiación é curto, a enerxía láser absorbida polo metal só pode facer que a temperatura do material suba desde a superficie cara ao interior, pero a fase sólida permanece inalterada. Úsase principalmente para o recocido de pezas e o tratamento de endurecemento por transformación de fase, sendo a maioría as ferramentas, as engrenaxes e os rolamentos;
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 fúndese gradualmente. A medida que aumenta a enerxía de entrada, a interface líquido-sólido móvese gradualmente cara á parte profunda do material. Este proceso físico utilízase principalmente para a refundición superficial, a aliaxe, o revestimento e a soldadura 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 recóllense preto da superficie do material e ionízanse debilmente para formar un plasma. Este plasma fino axuda ao material a absorber o láser; baixo a presión da vaporización e a expansión, a superficie do líquido defórmase e forma pozos. Esta etapa pódese usar para a soldadura por láser, xeralmente na soldadura por empalme de condutividade térmica 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 cun alto grao de ionización. Este plasma denso ten un efecto de protección sobre o láser, reducindo en gran medida a densidade de enerxía do láser incidente no material. Ao mesmo tempo, baixo unha gran forza de reacción de vapor, fórmanse pequenos buratos, coñecidos comunmente como buratos de chave, dentro do metal fundido. A existencia de buratos de chave é beneficiosa para que o material absorba o láser, e esta etapa pódese usar para a soldadura por fusión profunda con láser, corte e perforación, endurecemento por impacto, etc.
En diferentes condicións, as diferentes lonxitudes de onda da irradiación láser sobre diferentes materiais metálicos darán lugar a valores específicos de densidade de potencia en cada etapa.
En termos da 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 da superficie; unha vez que o material se vaporiza e forma plasma e buratos de fechadura, a absorción do láser do material cambiará repentinamente.
Como se mostra na Figura 2, a taxa de absorción do láser na superficie do material durante a soldadura láser varía coa densidade de potencia do láser e a temperatura da superficie do material. Cando o material non está fundido, a taxa de absorción do material no láser aumenta lentamente co aumento da temperatura da superficie do material. Cando a densidade de potencia é maior que (10 ^ 6w/cm ^ 2), o material vaporízase violentamente, formando un burato da fechadura. O láser entra no burato da fechadura para producir múltiples reflexións e absorción, o que resulta nun aumento significativo na taxa de absorción do material no láser e un aumento significativo na 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 á 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 fortemente a luz infravermella de lonxitude de onda de 10,6 µm (CO2), mentres que reflicten debilmente a luz infravermella de lonxitude de onda de 1,06 µm (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 unha aliaxe de aluminio, cando o material é sólido, a taxa de absorción do láser é de arredor do 5-7%, a taxa de absorción de líquidos é de ata o 25-35% e pode alcanzar máis do 90% no estado de burato de fechadura.
A taxa de absorción do material ao láser aumenta coa temperatura. A taxa de absorción dos materiais metálicos á 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 alcanzar o 90 %.
Absorción de láser por materiais metálicos: condición da superficie
A taxa de absorción convencional mídese empregando unha superficie metálica lisa, pero en aplicacións prácticas de quentamento por láser, normalmente é necesario aumentar a taxa de absorción de certos materiais de alta reflexión (aluminio, cobre) para evitar soldaduras falsas causadas pola alta reflexión;
Pódense empregar os seguintes métodos:
1. Adopción de procesos axeitados de pretratamento superficial para mellorar a reflectividade do láser: a oxidación de prototipos, o chorro de area, a limpeza con láser, o niquelado, o estañado, o revestimento de grafito, etc. poden mellorar a taxa de absorción do láser no material;
O obxectivo principal é aumentar a rugosidade da superficie do material (o que favorece a múltiples reflexións e absorción láser), así como aumentar a taxa de absorción do material de revestimento. Ao absorber a enerxía láser e fundila e volatilizala 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.
Data de publicación: 23 de novembro de 2023
