A interação entre o laser e os materiais envolve muitos fenômenos e características físicas. Os próximos três artigos apresentarão os três principais fenômenos físicos relacionados ao processo de soldagem a laser, a fim de fornecer aos colegas uma compreensão mais clara doprocesso de soldagem a laser: dividido em taxa de absorção do laser e mudanças de estado, plasma e efeito fechadura. Desta vez, atualizaremos a relação entre as mudanças no estado do laser e dos materiais e a taxa de absorção.
Mudanças no estado da matéria causadas pela interação entre o laser e os materiais
O processamento a laser de materiais metálicos baseia-se principalmente no processamento térmico de efeitos fototérmicos. Quando a irradiação laser é aplicada à superfície do material, várias alterações ocorrerão na área superficial do material em diferentes densidades de potência. Essas mudanças incluem aumento da temperatura da superfície, derretimento, vaporização, formação de buracos de fechadura e geração de plasma. Além disso, as mudanças no estado físico da área superficial do material afetam muito a absorção do laser pelo material. Com o aumento da densidade de potência e do tempo de ação, o material metálico sofrerá as seguintes mudanças de estado:
Quando opotência do lasera densidade é baixa (<10 ^ 4w/cm ^ 2) e o tempo de irradiação é curto, a energia do laser absorvida pelo metal só pode fazer com que a temperatura do material suba da superfície para o interior, mas a fase sólida permanece inalterada . É usado principalmente para tratamento de recozimento de peças e endurecimento por transformação de fase, sendo ferramentas, engrenagens e rolamentos a maioria;
Com o aumento da densidade de potência do laser (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) e o prolongamento do tempo de irradiação, a superfície do material derrete gradualmente. À medida que a energia de entrada aumenta, a interface líquido-sólido move-se gradualmente em direção à parte profunda do material. Este processo físico é usado principalmente para refusão de superfícies, ligas, revestimentos e soldagem por condutividade térmica de metais.
Ao aumentar ainda mais a densidade de potência (>10 ^ 6w/cm ^ 2) e prolongar o tempo de ação do laser, a superfície do material não apenas derrete, mas também vaporiza, e as substâncias vaporizadas se reúnem perto da superfície do material e ionizam fracamente para formar um plasma. Este plasma fino ajuda o material a absorver o laser; Sob a pressão de vaporização e expansão, a superfície do líquido deforma-se e forma buracos. Este estágio pode ser usado para soldagem a laser, geralmente na soldagem por condutividade térmica de microconexões dentro de 0,5 mm.
Ao aumentar ainda mais a densidade de potência (>10 ^ 7w/cm ^ 2) e prolongar o tempo de irradiação, a superfície do material sofre forte vaporização, formando um plasma com alto grau de ionização. Este plasma denso tem um efeito de proteção no laser, reduzindo bastante a densidade de energia do laser incidente no material. Ao mesmo tempo, sob uma grande força de reação de vapor, pequenos orifícios, comumente conhecidos como buracos de fechadura, são formados dentro do metal derretido. A existência de buracos de fechadura é benéfica para o material absorver o laser, e este estágio pode ser usado para fusão profunda a laser soldagem, corte e perfuração, endurecimento por impacto, etc.
Sob diferentes condições, diferentes comprimentos de onda de irradiação laser em diferentes materiais metálicos resultarão em valores específicos de densidade de potência em cada estágio.
Em termos de absorção do laser pelos materiais, a vaporização dos materiais é um limite. Quando o material não sofre vaporização, seja na fase sólida ou líquida, a sua absorção do laser só muda lentamente com o aumento da temperatura da superfície; Assim que o material vaporizar e formar plasma e buracos de fechadura, a absorção do laser pelo material mudará repentinamente.
Conforme mostrado na Figura 2, a taxa de absorção do laser na superfície do material durante a soldagem a laser varia com a densidade de potência do laser e a temperatura da superfície do material. Quando o material não é derretido, a taxa de absorção do material pelo laser aumenta lentamente com o aumento da temperatura da superfície do material. Quando a densidade de potência é maior que (10 ^ 6w/cm ^ 2), o material vaporiza violentamente, formando um buraco de fechadura. O laser entra no buraco da fechadura para múltiplas reflexões e absorção, resultando em um aumento significativo na taxa de absorção do material pelo laser e em um aumento significativo na profundidade de fusão.
Absorção de Laser por Materiais Metálicos – Comprimento de Onda
A figura acima mostra a curva de relação entre a refletividade, a absorvância e o comprimento de onda dos metais comumente usados à temperatura ambiente. Na região do infravermelho, a taxa de absorção diminui e a refletividade aumenta com o aumento do comprimento de onda. A maioria dos metais reflete fortemente a luz infravermelha de comprimento de onda de 10,6um (CO2), enquanto reflete fracamente a luz infravermelha de comprimento de onda de 1,06um (1060nm). Os materiais metálicos têm taxas de absorção mais altas para lasers de comprimento de onda curto, como luz azul e verde.
Absorção de Laser por Materiais Metálicos – Temperatura do Material e Densidade de Energia do Laser
Tomando a liga de alumínio como exemplo, quando o material é sólido, a taxa de absorção do laser é de cerca de 5-7%, a taxa de absorção de líquido é de 25-35% e pode atingir mais de 90% no estado de fechadura.
A taxa de absorção do material pelo laser aumenta com o aumento da temperatura. A taxa de absorção de materiais metálicos à temperatura ambiente é muito baixa. Quando a temperatura sobe para perto do ponto de fusão, sua taxa de absorção pode atingir 40%~60%. Se a temperatura estiver próxima do ponto de ebulição, sua taxa de absorção pode chegar a 90%.
Absorção de Laser por Materiais Metálicos – Condição da Superfície
A taxa de absorção convencional é medida usando uma superfície metálica lisa, mas em aplicações práticas de aquecimento a laser, geralmente é necessário aumentar a taxa de absorção de certos materiais de alta reflexão (alumínio, cobre) para evitar falsa soldagem causada por alta reflexão;
Os seguintes métodos podem ser usados:
1. Adotar processos apropriados de pré-tratamento de superfície para melhorar a refletividade do laser: oxidação de protótipo, jato de areia, limpeza a laser, niquelagem, estanhagem, revestimento de grafite, etc.
O núcleo visa aumentar a rugosidade da superfície do material (o que conduz a múltiplos reflexos e absorção do laser), bem como aumentar o material de revestimento com alta taxa de absorção. Ao absorver a energia do laser e derretê-la e volatilizá-la através de materiais de alta taxa de absorção, o calor do laser é transmitido ao material base para melhorar a taxa de absorção do material e reduzir a soldagem virtual causada pelo fenômeno de alta reflexão.
Horário da postagem: 23 de novembro de 2023
