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 proporcionar aos colegas uma compreensão mais clara do mesmo.processo de soldagem a laserDividido em taxa de absorção do laser e mudanças de estado, plasma e efeito de orifício. Desta vez, atualizaremos a relação entre as mudanças de estado do laser e dos materiais e a taxa de absorção.
Alterações no estado da matéria causadas pela interação entre laser e materiais
O processamento a laser de materiais metálicos baseia-se principalmente no processamento térmico por efeitos fototérmicos. Quando a irradiação a laser é aplicada à superfície do material, diversas alterações ocorrem na área superficial em diferentes densidades de potência. Essas alterações incluem aumento da temperatura superficial, fusão, vaporização, formação de orifícios e geração de plasma. Além disso, as alterações no estado físico da superfície do material afetam significativamente a absorção do laser. Com o aumento da densidade de potência e do tempo de aplicação, o material metálico sofrerá as seguintes alterações de estado:
Quando opotência do laserDevido à baixa densidade (<10^4 W/cm^2) e ao curto tempo de irradiação, a energia do laser absorvida pelo metal só consegue elevar a temperatura do material da superfície para o interior, mantendo a fase sólida inalterada. É utilizado principalmente para recozimento de peças e tratamento de endurecimento por transformação de fase, sendo as ferramentas, engrenagens e rolamentos os mais aplicados.
Com o aumento da densidade de potência do laser (10⁴-10⁶ W/cm²) e o prolongamento do tempo de irradiação, a superfície do material funde-se gradualmente. À medida que a energia de entrada aumenta, a interface líquido-sólido desloca-se gradualmente para as camadas mais profundas do material. Este processo físico é utilizado principalmente para refusão superficial, liga metálica, revestimento e soldagem por condutividade térmica de metais.
Ao aumentar ainda mais a densidade de potência (>10^6 W/cm^2) e prolongar o tempo de ação do laser, a superfície do material não só derrete como também vaporiza, e as substâncias vaporizadas se acumulam perto da superfície do material e ionizam-se fracamente para formar um plasma. Esse plasma fino ajuda o material a absorver o laser; sob a pressão da vaporização e expansão, a superfície líquida se deforma e forma cavidades. Essa etapa pode ser usada para soldagem a laser, geralmente na soldagem por condutividade térmica de microconexões com dimensões inferiores a 0,5 mm.
Ao aumentar ainda mais a densidade de potência (>10^7 W/cm^2) e prolongar o tempo de irradiação, a superfície do material sofre forte vaporização, formando um plasma com alto grau de ionização. Esse plasma denso exerce um efeito de blindagem sobre o laser, reduzindo significativamente a densidade de energia do laser incidente no material. Simultaneamente, sob a forte força de reação do vapor, pequenos orifícios, comumente conhecidos como "buracos de fechadura", são formados no interior do metal fundido. A presença desses orifícios facilita a absorção do laser pelo material, e essa etapa pode ser utilizada para soldagem por fusão profunda a laser, corte e perfuração, endurecimento por impacto, etc.
Em diferentes condições, diferentes comprimentos de onda da irradiação laser em diferentes materiais metálicos resultarão em valores específicos de densidade de potência em cada etapa.
Em termos de absorção de laser por materiais, a vaporização do material é um fator limitante. Quando o material não sofre vaporização, seja na fase sólida ou líquida, sua absorção de laser muda apenas lentamente com o aumento da temperatura da superfície; uma vez que o material vaporiza e forma plasma e poros, a absorção de laser pelo material muda repentinamente.
Como 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 está fundido, a taxa de absorção do laser pelo material aumenta lentamente com o aumento da temperatura da superfície do material. Quando a densidade de potência é superior a (10^6 W/cm^2), o material vaporiza violentamente, formando um orifício. O laser entra nesse orifício, sofrendo múltiplas reflexões e absorção, o que resulta em um aumento significativo na taxa de absorção do laser pelo material e, consequentemente, 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 absorbância e o comprimento de onda de 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 com comprimento de onda de 10,6 µm (CO₂), enquanto reflete fracamente a luz infravermelha com comprimento de onda de 1,06 µm (1060 nm). Os materiais metálicos apresentam taxas de absorção mais altas para lasers de comprimento de onda curto, como a luz azul e a luz verde.
Absorção de laser por materiais metálicos – Temperatura do material e densidade de energia do laser
Tomando como exemplo a liga de alumínio, quando o material está sólido, a taxa de absorção do laser é de cerca de 5 a 7%, a taxa de absorção em estado líquido chega a 25 a 35% e pode atingir mais de 90% no estado perfurado.
A taxa de absorção do laser pelo material aumenta com o aumento da temperatura. A taxa de absorção de materiais metálicos à temperatura ambiente é muito baixa. Quando a temperatura se aproxima do ponto de fusão, sua taxa de absorção pode atingir 40% a 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 soldagens incorretas causadas pela alta reflexão;
Os seguintes métodos podem ser utilizados:
1. Adotar processos adequados de pré-tratamento de superfície para melhorar a refletividade do laser: oxidação de protótipos, jateamento de areia, limpeza a laser, niquelagem, estanhagem, revestimento de grafite, etc., podem melhorar a taxa de absorção do laser pelo material;
O princípio fundamental é aumentar a rugosidade da superfície do material (o que favorece múltiplas reflexões e absorção do laser), bem como aumentar a quantidade de material de revestimento com alta taxa de absorção. Ao absorver a energia do laser, fundi-la e volatiliza-la através de materiais com alta taxa de absorção, o calor do laser é transmitido ao material base, melhorando a taxa de absorção do material e reduzindo a soldagem virtual causada pelo fenômeno de alta reflexão.
Data da publicação: 23/11/2023
