Tasa de absorción láser de materiales metálicos.

1.1 Cambios de estado físico provocados por la interacción entre láser y materiales.

El procesamiento láser de materiales metálicos es principalmente un procesamiento térmico basado en efectos fototérmicos. Cuando el láser irradia la superficie del material, se producirán varios cambios diferentes en el área de la superficie bajo diferentes densidades de potencia. Estos cambios incluyen:

Fusión: cuando un material absorbe energía láser, su temperatura aumenta, posiblemente alcanzando su punto de fusión, lo que provoca que el material pase de sólido a líquido. Este proceso es ampliamente utilizado en tecnologías como soldadura por láser, revestimiento lásery creación rápida de prototipos con láser.

Evaporación y sublimación: si la intensidad del láser es lo suficientemente alta como para elevar rápidamente la temperatura del material por encima de su punto de ebullición, el material pasará directamente de un estado sólido o líquido a un estado gaseoso. Este proceso se utiliza en tecnologías como el corte por láser, la perforación por láser y la evaporación por láser.

Solidificación: el proceso por el cual el material regresa de un estado líquido a un estado sólido después del calentamiento con láser se llama solidificación. Este proceso es común en el proceso de fabricación por láser, especialmente en la soldadura fuerte por láser y las tecnologías de impresión 3D.

Recocido: mediante calentamiento por láser, la tensión interna del material se puede redistribuir, logrando así el propósito de reducir la tensión interna y mejorar el rendimiento del material. Este proceso no acompaña al cambio de fase, pero provocará la reorganización de la estructura cristalina y cambios en las propiedades del material.

Endurecimiento por transformación de fase: ciertos materiales (como el acero) experimentarán transiciones de fase durante el proceso de enfriamiento, pasando de una estructura cúbica centrada en las caras (austenita) a una estructura cúbica centrada en el cuerpo (martensita). Esta transformación mejora significativamente la dureza y resistencia del material. El enfriamiento por láser utiliza este principio, controlando el proceso de calentamiento y enfriamiento del láser, para lograr el endurecimiento de la superficie del material o áreas localizadas.

Reacción fotoquímica: la irradiación láser también puede desencadenar reacciones fotoquímicas en los materiales. Estas reacciones incluyen no sólo procesos físicos (como fotólisis y fotopolimerización), sino también procesos químicos, que pueden cambiar fundamentalmente las propiedades de los materiales. Este principio se utiliza en áreas como la fotolitografía y la modificación de superficies de materiales.

Fotocromismo: Algunos materiales sufren reacciones fotocrómicas bajo la irradiación láser, es decir, un cambio en el color del material. Este cambio es causado por cambios en la estructura electrónica del material después de absorber energía luminosa. Esta tecnología tiene un valor de aplicación potencial en campos como el almacenamiento de datos y la tecnología de visualización.

El mecanismo de acción relevante se muestra en la siguiente figura:

1. Cuando la densidad de potencia del láser es baja (<10^4w/cm^2) Y el tiempo de irradiación es corto, la energía láser absorbida por el metal solo puede hacer que la temperatura del material aumente desde la superficie hacia el interior, pero la fase sólida permanece sin cambios. Se utiliza principalmente para el recocido y endurecimiento por cambio de fase de piezas, principalmente herramientas de corte, engranajes y cojinetes.
   
2. A medida que aumenta la densidad de potencia del láser (10^4~10^6w/cm^2) y se alarga el tiempo de irradiación, la capa superficial del material se funde gradualmente. A medida que aumenta la energía de entrada, la interfaz de fase líquido-sólida se mueve gradualmente hacia la profundidad del material. Este proceso físico se utiliza principalmente para la refundición de superficies, la aleación, el revestimiento y la soldadura por conductividad térmica de metales.
3. Aumente aún más la densidad de potencia (>10^6w/cm^2) y alargue el tiempo de acción del láser. La superficie del material no sólo se funde, sino que también se vaporiza. Los vapores se acumulan cerca de la superficie del material y se ionizan débilmente para formar plasma. Este fino plasma ayuda a que el material absorba el láser; Bajo la presión de vaporización y expansión, la superficie del líquido se deforma y forma hoyos. Esta etapa se puede utilizar para soldadura láser, generalmente para soldadura por conducción térmica de microconexiones dentro de 0.5 mm.
4. Si la densidad de potencia aumenta aún más (>10^7w/cm^2) y se alarga el tiempo de irradiación, la superficie del material se vaporizará fuertemente para formar un plasma con un mayor grado de ionización. Este plasma denso tiene un efecto de protección sobre el láser y reduce en gran medida la densidad de energía del láser que incide en el material. Al mismo tiempo, bajo la gran fuerza de reacción del vapor, se forma un pequeño agujero dentro del metal fundido, generalmente llamado ojo de cerradura. La existencia del ojo de la cerradura favorece la absorción del láser por parte del material. Esta etapa se puede utilizar para soldadura profunda con láser, corte y perforación, endurecimiento por impacto, etc.
   
   

En diferentes condiciones, cuando láseres con diferentes longitudes de onda irradian diferentes materiales metálicos, habrá ciertas diferencias en los valores específicos de la densidad de potencia en cada etapa. En términos de absorción del material del láser, la vaporización del material es una línea divisoria. Cuando el material no se vaporiza, ya sea en fase sólida o líquida, su absorción del láser solo cambia lentamente con el aumento de la temperatura de la superficie; Una vez que el material se vaporiza y forma plasma y ojo de cerradura, la absorción del láser por parte del material cambiará repentinamente.

La siguiente figura muestra cómo la tasa de absorción del láser de la superficie del material durante láser soldadura cambia con la densidad de potencia del láser y la temperatura de la superficie del material. Cuando el material no se funde, la tasa de absorción del láser del material aumenta lentamente a medida que aumenta la temperatura de la superficie del material. Cuando la densidad de potencia es mayor que (10^6w/cm2), el material se vaporiza violentamente, formando un ojo de cerradura, y el láser entra en el ojo de la cerradura y se refleja varias veces. La absorción hace que la tasa de absorción del láser del material aumente drásticamente y la profundidad de penetración aumentará significativamente.

1.2 Absorción del láser por materiales metálicos: longitud de onda

Mecanismo de absorción del láser:
La absorción del láser por los metales se consigue principalmente mediante el movimiento de electrones libres. Cuando un láser brilla sobre la superficie del metal, su campo electromagnético hará que los electrones libres del metal vibren. Esta energía vibratoria luego se transfiere en forma de calor a la estructura de la red metálica, calentando así el material. Esta característica de absorción de los metales los convierte en materiales excelentes para el procesamiento láser.

Efecto de la longitud de onda
Longitud de onda corta (UV a región de luz visible):Los metales generalmente absorben el láser de longitud de onda corta más fácilmente en el rango de longitud de onda corta. Esto se debe a que los electrones libres en el metal pueden interactuar efectivamente con el campo electromagnético de la luz de longitud de onda corta, lo que hace que la energía se transfiera de la onda de luz al metal, creando un efecto térmico. Los láseres de longitud de onda corta pueden lograr una mayor precisión de posicionamiento y diámetros de enfoque más pequeños, lo que los hace adecuados para el procesamiento fino.

Longitud de onda media (región cercana al infrarrojo):Los láseres en la región del infrarrojo cercano, como los láseres de fibra (longitud de onda de aproximadamente 1064 nanómetros), tienen altas tasas de absorción en metales y son el rango de longitud de onda más comúnmente utilizado en el procesamiento de metales. El láser de esta longitud de onda puede penetrar profundamente en el metal y tiene una tasa de absorción relativamente alta, lo que lo hace adecuado para procesamiento profundo y procesamiento de alta eficiencia.

Longitud de onda larga (región del infrarrojo lejano):Para láseres de longitud de onda larga, como Láser de CO2 (La longitud de onda es de aproximadamente 10.6 micrones), a medida que aumenta la longitud de onda, la eficiencia de absorción de la energía láser por parte de los metales generalmente disminuye, lo que significa que la tasa de reflexión de los láseres de longitud de onda larga (como la luz infrarroja lejana) en la superficie del metal es mayor. y la tasa de absorción es menor. La tasa de absorción en metales es relativamente baja. Sin embargo, debido a que su longitud de onda es mucho mayor que la trayectoria libre media de los electrones libres de los metales, su eficiencia de absorción en algunos materiales metálicos específicos sigue siendo aceptable. Los láseres de longitud de onda larga se utilizan principalmente para procesar materiales no metálicos, pero también tienen usos en algunas aplicaciones especiales de procesamiento de metales.

La siguiente figura muestra la relación entre la reflectancia, la absortividad y la longitud de onda de los metales de uso común a temperatura ambiente. En la región infrarroja, la absortividad disminuye y la reflectividad aumenta a medida que aumenta la longitud de onda. La mayoría de los metales reflejan fuertemente la luz infrarroja de longitud de onda de 10.6 um (CO2). pero tienen reflejos débiles en la luz infrarroja de longitud de onda de 1.06 um (1060 nm). Los materiales metálicos tienen tasas de absorción más altas para los láseres de longitud de onda corta, como bluz azul y luz verde.

1.3 Absorción del láser por materiales metálicos: temperatura

1.3.1 Tasas de absorción de diferentes formas de aleaciones de aluminio.:

Cuando el material es sólido, la tasa de absorción del láser es de aproximadamente 5-7%;

Tasa de absorción de líquido al 25-35%;

Puede alcanzar más del 90% en el estado de ojo de cerradura.

1.3.2 La tasa de absorción del láser de los materiales aumenta con la temperatura:

Las tasas de absorción de materiales metálicos a temperatura ambiente son muy pequeñas;

Cuando la temperatura se acerca al punto de fusión, su tasa de absorción puede alcanzar el 40%~60%;

Si la temperatura está cerca del punto de ebullición, la tasa de absorción llega al 90%.

1.4 Absorción del láser por materiales metálicos: condiciones de la superficie

La absortividad convencional se mide utilizando una superficie metálica lisa. En aplicaciones prácticas de calentamiento por láser, normalmente es necesario aumentar la absortividad del láser de ciertos materiales altamente reflectantes (aluminio, cobre) para evitar una alta reflexión que provoque una soldadura falsa;

Se pueden utilizar los siguientes métodos: Se adoptan procesos de pretratamiento de superficie apropiados para mejorar la reflectividad del láser. Oxidación de prototipos, arenado, láser constante, niquelado, estañado, revestimiento de grafito, etc. pueden mejorar la tasa de absorción láser del material.