Tasso di assorbimento del laser dei materiali metallici

1.1 Cambiamenti di stato fisico causati dall'interazione tra laser e materiali

La lavorazione laser di materiali metallici è principalmente una lavorazione termica basata su effetti fototermici. Quando il laser irradia la superficie del materiale, si verificano vari cambiamenti nell'area superficiale con diverse densità di potenza. Questi cambiamenti includono:

Fusione: quando un materiale assorbe l'energia laser, la sua temperatura aumenta, raggiungendo eventualmente il punto di fusione, provocando la transizione del materiale da solido a liquido. Questo processo è ampiamente utilizzato in tecnologie come saldatura laser, rivestimento lasere prototipazione rapida laser.

Evaporazione e sublimazione: se l'intensità del laser è sufficientemente elevata da aumentare rapidamente la temperatura del materiale al di sopra del punto di ebollizione, il materiale passerà direttamente dallo stato solido o liquido allo stato gassoso. Questo processo viene utilizzato in tecnologie come il taglio laser, la perforazione laser e l'evaporazione laser.

Solidificazione: il processo con cui il materiale ritorna dallo stato liquido allo stato solido dopo il riscaldamento laser è chiamato solidificazione. Questo processo è comune nel processo di produzione laser, in particolare nelle tecnologie di brasatura laser e stampa 3D.

Ricottura: mediante il riscaldamento laser, lo stress interno del materiale può essere ridistribuito, raggiungendo così lo scopo di ridurre lo stress interno e migliorare le prestazioni del materiale. Questo processo non accompagna il cambiamento di fase, ma causerà la riorganizzazione della struttura cristallina e cambiamenti nelle proprietà del materiale.

Indurimento per trasformazione di fase: alcuni materiali (come l'acciaio) subiranno transizioni di fase durante il processo di raffreddamento, passando da una struttura cubica a facce centrate (austenite) a una struttura cubica a corpo centrato (martensite). Questa trasformazione aumenta significativamente la durezza e la resistenza del materiale. La tempra laser utilizza questo principio, controllando il processo di riscaldamento e raffreddamento del laser, per ottenere l'indurimento della superficie del materiale o di aree localizzate.

Reazione fotochimica: l'irradiazione laser può anche innescare reazioni fotochimiche nei materiali. Queste reazioni comprendono non solo processi fisici (come fotolisi, fotopolimerizzazione), ma anche processi chimici, che possono modificare radicalmente le proprietà dei materiali. Questo principio viene utilizzato in settori quali la fotolitografia e la modifica della superficie dei materiali.

Fotocromismo: alcuni materiali subiscono reazioni fotocromatiche sotto l'irradiazione laser, cioè un cambiamento nel colore del materiale. Questo cambiamento è causato da cambiamenti nella struttura elettronica del materiale dopo aver assorbito l'energia luminosa. Questa tecnologia ha un potenziale valore applicativo in campi quali l'archiviazione dei dati e la tecnologia di visualizzazione.

Il relativo meccanismo d’azione è mostrato nella figura seguente:

1. Quando la densità di potenza del laser è bassa (<10^4w/cm^2) e il tempo di irradiazione è breve, l'energia laser assorbita dal metallo può solo far aumentare la temperatura del materiale dalla superficie verso l'interno, ma la fase solida rimane invariata. Utilizzato principalmente per la ricottura e l'indurimento a cambiamento di fase di parti, principalmente utensili da taglio, ingranaggi e cuscinetti.
   
2. Man mano che la densità di potenza del laser aumenta (10^4~10^6w/cm^2) e il tempo di irradiazione si allunga, lo strato superficiale del materiale si scioglie gradualmente. All’aumentare dell’energia in ingresso, l’interfaccia della fase liquida-solida si sposta gradualmente verso la profondità del materiale. Questo processo fisico viene utilizzato principalmente per la rifusione superficiale, la lega, il rivestimento e la saldatura a conduttività termica dei metalli.
3. Aumentare ulteriormente la densità di potenza (>10^6w/cm^2) e allungare il tempo di azione del laser. La superficie del materiale non solo si scioglie, ma vaporizza anche. I vapori si raccolgono vicino alla superficie del materiale e vengono debolmente ionizzati per formare plasma. Questo plasma sottile aiuta il materiale ad assorbire il laser; sotto la pressione di vaporizzazione ed espansione, la superficie del liquido si deforma e forma buchi. Questa fase può essere utilizzata per la saldatura laser, generalmente per la saldatura termoconduttiva di microconnessioni entro 0.5 mm.
4. Se la densità di potenza viene ulteriormente aumentata (>10^7w/cm^2) e il tempo di irradiazione viene allungato, la superficie del materiale verrà fortemente vaporizzata per formare un plasma con un grado di ionizzazione più elevato. Questo plasma denso ha un effetto schermante sul laser, riducendo notevolmente la densità di energia del laser incidente nel materiale. Allo stesso tempo, sotto la grande forza di reazione del vapore, all'interno del metallo fuso si forma un piccolo foro, solitamente chiamato buco della serratura. L'esistenza del buco della serratura favorisce l'assorbimento del laser da parte del materiale. Questa fase può essere utilizzata per saldatura profonda, taglio e foratura laser, tempra a impatto, ecc.
   
   

In condizioni diverse, quando laser con lunghezze d'onda diverse irradiano materiali metallici diversi, ci saranno alcune differenze nei valori specifici della densità di potenza in ciascuna fase. In termini di assorbimento del materiale del laser, la vaporizzazione del materiale è una linea di demarcazione. Quando il materiale non vaporizza, sia esso in fase solida o liquida, il suo assorbimento del laser cambia solo lentamente con l'aumento della temperatura superficiale; una volta che il materiale vaporizza e forma plasma e buco della serratura, l'assorbimento del laser da parte del materiale, l'assorbimento cambierà improvvisamente.

La figura seguente mostra il tasso di assorbimento del laser sulla superficie del materiale durante laser saldatura cambia con la densità di potenza del laser e la temperatura superficiale del materiale. Quando il materiale non è fuso, il tasso di assorbimento del laser del materiale aumenta lentamente con l'aumento della temperatura superficiale del materiale. Quando la densità di potenza è maggiore di (10^6w/cm2), il materiale vaporizza violentemente, formando un buco della serratura, e il laser entra nel buco della serratura e viene riflesso più volte. L'assorbimento fa sì che il tasso di assorbimento del laser da parte del materiale aumenti notevolmente e la profondità di penetrazione aumenterà in modo significativo.

1.2 Assorbimento del laser da parte di materiali metallici: lunghezza d'onda

Meccanismo di assorbimento del laser:
L'assorbimento del laser da parte dei metalli si ottiene principalmente attraverso il movimento di elettroni liberi. Quando un laser colpisce la superficie metallica, il suo campo elettromagnetico fa vibrare gli elettroni liberi nel metallo. Questa energia vibrazionale viene quindi trasferita sotto forma di calore alla struttura reticolare metallica, riscaldando così il materiale. Questa caratteristica di assorbimento dei metalli li rende materiali eccellenti per la lavorazione laser.

Effetto della lunghezza d'onda
Lunghezza d'onda corta (regione dai raggi UV alla luce visibile):I metalli generalmente assorbono più facilmente il laser a lunghezza d'onda corta nell'intervallo di lunghezze d'onda corte. Questo perché gli elettroni liberi nel metallo possono interagire efficacemente con il campo elettromagnetico della luce a lunghezza d'onda corta, provocando il trasferimento di energia dall'onda luminosa al metallo, creando un effetto termico. I laser a lunghezza d'onda corta possono raggiungere una maggiore precisione di posizionamento e diametri di messa a fuoco più piccoli, rendendoli adatti per la lavorazione fine.

Lunghezza d'onda media (vicino alla regione dell'infrarosso):I laser nella regione del vicino infrarosso, come i laser a fibra (lunghezza d'onda di circa 1064 nanometri), hanno tassi di assorbimento elevati nei metalli e rappresentano l'intervallo di lunghezze d'onda più comunemente utilizzato nella lavorazione dei metalli. Il laser di questa lunghezza d'onda può penetrare in profondità nel metallo e ha un tasso di assorbimento relativamente elevato, che lo rende adatto alla lavorazione profonda e alla lavorazione ad alta efficienza.

Lunghezza d'onda lunga (regione del lontano infrarosso):Per laser a lunga lunghezza d'onda, come Laser a CO2 (la lunghezza d'onda è di circa 10.6 micron), all'aumentare della lunghezza d'onda, l'efficienza di assorbimento dell'energia laser da parte dei metalli solitamente diminuisce, il che significa che la riflessione dei laser a lunga lunghezza d'onda (come la luce nel lontano infrarosso) sulla superficie metallica La velocità è più elevata e il tasso di assorbimento è inferiore. Il tasso di assorbimento nei metalli è relativamente basso. Tuttavia, poiché la sua lunghezza d'onda è molto maggiore del percorso libero medio degli elettroni liberi dei metalli, la sua efficienza di assorbimento in alcuni materiali metallici specifici è ancora accettabile. I laser a lunghezza d'onda lunga vengono utilizzati principalmente per la lavorazione di materiali non metallici, ma trovano impiego anche in alcune applicazioni speciali di lavorazione dei metalli.

La figura seguente mostra la relazione tra riflettanza, assorbenza e lunghezza d'onda dei metalli comunemente usati a temperatura ambiente. Nella regione dell'infrarosso, l'assorbenza diminuisce e la riflettività aumenta all'aumentare della lunghezza d'onda. La maggior parte dei metalli riflette fortemente la luce infrarossa con lunghezza d'onda di 10.6 um (CO2), ma hanno riflessioni deboli sulla luce infrarossa con lunghezza d'onda di 1.06um (1060nm). I materiali metallici hanno tassi di assorbimento più elevati per i laser a lunghezza d'onda corta, come bluce blu e luce verde.

1.3 Assorbimento del laser da parte di materiali metallici: temperatura

1.3.1 Tassi di assorbimento di diverse forme di leghe di alluminio:

Quando il materiale è solido, il tasso di assorbimento del laser è di circa il 5-7%;

Tasso di assorbimento del liquido al 25-35%;

Può raggiungere più del 90% nello stato del buco della serratura.

1.3.2 Il tasso di assorbimento del laser dei materiali aumenta con la temperatura:

I tassi di assorbimento dei materiali metallici a temperatura ambiente sono molto piccoli;

Quando la temperatura si avvicina al punto di fusione, il tasso di assorbimento può raggiungere il 40%~60%;

Se la temperatura è vicina al punto di ebollizione, il tasso di assorbimento arriva fino al 90%.

1.4 Assorbimento del laser da parte di materiali metallici: condizioni della superficie

L'assorbimento convenzionale viene misurato utilizzando una superficie metallica liscia. Nelle applicazioni pratiche del riscaldamento laser, di solito è necessario aumentare l'assorbimento del laser di alcuni materiali altamente riflettenti (alluminio, rame) per evitare un'elevata riflessione che porta a false saldature;

È possibile utilizzare i seguenti metodi: Vengono adottati processi di pretrattamento superficiale appropriati per migliorare la riflettività del laser. Ossidazione del prototipo, sabbiatura, laser pulizia, nichelatura, stagnatura, rivestimento in grafite, ecc. possono migliorare il tasso di assorbimento del laser del materiale.