Taux d'absorption laser des matériaux métalliques

1.1 Modifications de l'état physique provoquées par l'interaction entre le laser et les matériaux

Le traitement laser des matériaux métalliques est principalement un traitement thermique basé sur des effets photothermiques. Lorsque le laser irradie la surface du matériau, divers changements différents se produiront dans la surface sous différentes densités de puissance. Ces changements incluent :

Fusion : lorsqu'un matériau absorbe l'énergie laser, sa température augmente, atteignant éventuellement son point de fusion, provoquant la transition du matériau du solide au liquide. Ce processus est largement utilisé dans des technologies telles que la soudure au laser, revêtement laseret le prototypage rapide au laser.

Évaporation et sublimation : Si l'intensité du laser est suffisamment élevée pour élever rapidement la température du matériau au-dessus de son point d'ébullition, le matériau passera directement d'un état solide ou liquide à un état gazeux. Ce processus est utilisé dans des technologies telles que la découpe laser, le perçage laser et l'évaporation laser.

Solidification : Le processus par lequel un matériau revenant de l’état liquide à l’état solide après chauffage au laser est appelé solidification. Ce processus est courant dans le processus de fabrication laser, en particulier dans les technologies de brasage laser et d’impression 3D.

Recuit : Grâce au chauffage laser, la contrainte interne du matériau peut être redistribuée, atteignant ainsi l'objectif de réduire la contrainte interne et d'améliorer les performances du matériau. Ce processus n'accompagne pas de changement de phase, mais il provoquera un réarrangement de la structure cristalline et des changements dans les propriétés des matériaux.

Durcissement par transformation de phase : Certains matériaux (tels que l'acier) subiront des transitions de phase pendant le processus de refroidissement, passant d'une structure cubique à face centrée (austénite) à une structure cubique centrée sur le corps (martensite). Cette transformation améliore considérablement la dureté et la résistance du matériau. La trempe laser utilise ce principe, en contrôlant le processus de chauffage et de refroidissement du laser, pour obtenir le durcissement de la surface du matériau ou de zones localisées.

Réaction photochimique : L’irradiation laser peut également déclencher des réactions photochimiques dans les matériaux. Ces réactions incluent non seulement des processus physiques (tels que la photolyse, la photopolymérisation) mais également des processus chimiques, qui peuvent modifier fondamentalement les propriétés des matériaux. Ce principe est utilisé dans des domaines tels que la photolithographie et la modification de surface des matériaux.

Photochromisme : Certains matériaux subissent des réactions photochromiques sous irradiation laser, c'est-à-dire un changement de couleur du matériau. Ce changement est causé par des changements dans la structure électronique du matériau après absorption de l'énergie lumineuse. Cette technologie a une valeur d'application potentielle dans des domaines tels que la technologie de stockage de données et d'affichage.

Le mécanisme d’action correspondant est illustré dans la figure ci-dessous :

1. Lorsque la densité de puissance du laser est faible (<10^4w/cm^2) et le temps d'irradiation est court, l'énergie laser absorbée par le métal ne peut que provoquer une augmentation de la température du matériau de la surface vers l'intérieur, mais la phase solide reste inchangée. Principalement utilisé pour le recuit et le durcissement par changement de phase de pièces, principalement des outils de coupe, des engrenages et des roulements.
   
2. À mesure que la densité de puissance du laser augmente (10^4~10^6w/cm^2) et que le temps d'irradiation s'allonge, la couche superficielle du matériau fond progressivement. À mesure que l’énergie d’entrée augmente, l’interface phase liquide-solide se déplace progressivement vers la profondeur du matériau. Ce processus physique est principalement utilisé pour la refusion superficielle, l'alliage, le revêtement et le soudage par conductivité thermique des métaux.
3. Augmentez encore la densité de puissance (>10^6w/cm^2) et allongez le temps d'action du laser. La surface du matériau non seulement fond, mais se vaporise également. Les vapeurs se rassemblent près de la surface du matériau et sont faiblement ionisées pour former du plasma. Ce plasma mince aide le matériau à absorber le laser ; sous la pression de vaporisation et d'expansion, la surface du liquide se déforme et forme des piqûres. Cette étape peut être utilisée pour le soudage laser, généralement pour le soudage par conduction thermique de micro-connexions inférieures à 0.5 mm.
4. Si la densité de puissance est encore augmentée (>10^7w/cm^2) et le temps d'irradiation est allongé, la surface du matériau sera fortement vaporisée pour former un plasma avec un degré d'ionisation plus élevé. Ce plasma dense a un effet de protection sur le laser, réduisant considérablement la densité d'énergie de l'incident laser dans le matériau. Dans le même temps, sous l’importante force de réaction de la vapeur, un petit trou se forme à l’intérieur du métal en fusion, généralement appelé trou de serrure. L'existence du trou de serrure est propice à l'absorption du laser par le matériau. Cette étape peut être utilisée pour le soudage profond au laser, la découpe et le perçage, le durcissement par impact, etc.
   
   

Dans différentes conditions, lorsque des lasers de différentes longueurs d'onde irradient différents matériaux métalliques, il y aura certaines différences dans les valeurs spécifiques de la densité de puissance à chaque étape. En termes d'absorption matérielle du laser, la vaporisation du matériau est une ligne de démarcation. Lorsque le matériau ne se vaporise pas, qu'il soit en phase solide ou en phase liquide, son absorption du laser ne change que lentement avec l'augmentation de la température de surface ; Une fois que le matériau se vaporise et forme du plasma et un trou de serrure, l'absorption du laser par le matériau changera soudainement.

La figure ci-dessous montre comment le taux d'absorption laser de la surface du matériau pendant laser soudage change avec la densité de puissance du laser et la température de surface du matériau. Lorsque le matériau n'est pas fondu, le taux d'absorption laser du matériau augmente lentement à mesure que la température de surface du matériau augmente. Lorsque la densité de puissance est supérieure à (10^6w/cm2), le matériau se vaporise violemment, formant un trou de serrure, et le laser pénètre dans le trou de serrure et est réfléchi plusieurs fois. L'absorption entraîne une augmentation spectaculaire du taux d'absorption du laser par le matériau et une augmentation significative de la profondeur de pénétration.

1.2 Absorption du laser par les matériaux métalliques – longueur d'onde

Mécanisme d’absorption laser :
L’absorption du laser par les métaux s’effectue principalement grâce au mouvement des électrons libres. Lorsqu'un laser brille sur la surface métallique, son champ électromagnétique fait vibrer les électrons libres du métal. Cette énergie vibratoire est ensuite transférée sous forme de chaleur à la structure du réseau métallique, chauffant ainsi le matériau. Cette caractéristique d’absorption des métaux en fait d’excellents matériaux pour le traitement laser.

Effet de la longueur d'onde
Longueur d'onde courte (région UV à lumière visible):Les métaux absorbent généralement plus facilement les lasers à courte longueur d’onde dans la plage des courtes longueurs d’onde. En effet, les électrons libres du métal peuvent interagir efficacement avec le champ électromagnétique de la lumière à courte longueur d'onde, provoquant le transfert d'énergie de l'onde lumineuse vers le métal, créant ainsi un effet thermique. Les lasers à longueur d'onde courte peuvent atteindre une précision de positionnement plus élevée et des diamètres de focalisation plus petits, ce qui les rend adaptés au traitement fin.

Longueur d'onde moyenne (région proche infrarouge):Les lasers dans la région proche infrarouge, tels que les lasers à fibre (longueur d'onde d'environ 1064 nanomètres), ont des taux d'absorption élevés dans les métaux et constituent la gamme de longueurs d'onde la plus couramment utilisée dans le traitement des métaux. Le laser de cette longueur d'onde peut pénétrer profondément dans le métal et a un taux d'absorption relativement élevé, ce qui le rend adapté au traitement en profondeur et au traitement à haute efficacité.

Longue longueur d'onde (région infrarouge lointain):Pour les lasers à longue longueur d'onde, tels que Lasers CO2 (la longueur d'onde est d'environ 10.6 microns), à mesure que la longueur d'onde augmente, l'efficacité d'absorption de l'énergie laser par les métaux diminue généralement, ce qui signifie que la réflexion des lasers à longue longueur d'onde (comme la lumière infrarouge lointain) sur la surface métallique Le taux est plus élevé et le taux d'absorption est inférieur. Le taux d'absorption dans les métaux est relativement faible. Néanmoins, comme sa longueur d’onde est beaucoup plus grande que le libre parcours moyen des électrons libres des métaux, son efficacité d’absorption dans certains matériaux métalliques spécifiques reste acceptable. Les lasers à longue longueur d'onde sont principalement utilisés pour le traitement de matériaux non métalliques, mais ils sont également utilisés dans certaines applications spéciales de traitement des métaux.

La figure ci-dessous montre la relation entre la réflectance, l'absorptivité et la longueur d'onde des métaux couramment utilisés à température ambiante. Dans la région infrarouge, l'absorptivité diminue et la réflectivité augmente à mesure que la longueur d'onde augmente. La plupart des métaux réfléchissent fortement la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 10.6 um (CO2), mais ont de faibles réflexions sur la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 1.06 um (1060 nm). Les matériaux métalliques ont des taux d'absorption plus élevés pour les lasers à courte longueur d'onde, tels que bfeu rouge et feu vert.

1.3 Absorption laser par les matériaux métalliques – température

1.3.1 Taux d'absorption des différentes formes d'alliages d'aluminium:

Lorsque le matériau est solide, le taux d’absorption du laser est d’environ 5 à 7 % ;

Taux d'absorption des liquides jusqu'à 25-35 % ;

Il peut atteindre plus de 90 % à l’état de trou de serrure.

1.3.2 Le taux d'absorption laser des matériaux augmente avec la température :

Les taux d'absorption des matériaux métalliques à température ambiante sont très faibles ;

Lorsque la température s'approche du point de fusion, son taux d'absorption peut atteindre 40 % ~ 60 % ;

Si la température est proche du point d’ébullition, le taux d’absorption atteint 90 %.

1.4 Absorption laser par les matériaux métalliques – conditions de surface

L'absorptivité conventionnelle est mesurée à l'aide d'une surface métallique lisse. Dans les applications pratiques du chauffage laser, il est généralement nécessaire d'augmenter la capacité d'absorption laser de certains matériaux hautement réfléchissants (aluminium, cuivre) pour éviter une réflexion élevée conduisant à une fausse soudure ;

Les méthodes suivantes peuvent être utilisées : Des processus de prétraitement de surface appropriés sont adoptés pour améliorer la réflectivité du laser. Oxydation de prototypes, sablage, laser lavage, le nickelage, l'étamage, le revêtement en graphite, etc. peuvent tous améliorer le taux d'absorption laser du matériau.