Taxa de absorção de laser de materiais metálicos

1.1 Mudanças no estado físico causadas pela interação entre laser e materiais

O processamento a laser de materiais metálicos é principalmente um processamento térmico baseado em efeitos fototérmicos. Quando o laser irradia a superfície do material, várias alterações diferentes ocorrerão na área da superfície sob diferentes densidades de potência. Essas alterações incluem:

Fusão: Quando um material absorve a energia do laser, sua temperatura aumenta, possivelmente atingindo seu ponto de fusão, fazendo com que o material passe de sólido para líquido. Este processo é amplamente utilizado em tecnologias como soldagem a laser, revestimento a lasere prototipagem rápida a laser.

Evaporação e Sublimação: Se a intensidade do laser for alta o suficiente para elevar rapidamente a temperatura do material acima do seu ponto de ebulição, o material fará a transição diretamente do estado sólido ou líquido para o estado gasoso. Este processo é usado em tecnologias como corte a laser, perfuração a laser e evaporação a laser.

Solidificação: O processo de retorno do material do estado líquido para o estado sólido após o aquecimento a laser é chamado de solidificação. Este processo é comum no processo de fabricação a laser, especialmente em tecnologias de brasagem a laser e impressão 3D.

Recozimento: Por aquecimento a laser, a tensão interna do material pode ser redistribuída, atingindo assim o objetivo de reduzir a tensão interna e melhorar o desempenho do material. Este processo não acompanha a mudança de fase, mas causará o rearranjo da estrutura cristalina e alterações nas propriedades do material.

Endurecimento por transformação de fase: Certos materiais (como o aço) passarão por transições de fase durante o processo de resfriamento, passando de uma estrutura cúbica de face centrada (austenita) para uma estrutura cúbica de corpo centrado (martensita). Esta transformação aumenta significativamente a dureza e a resistência do material. A têmpera a laser utiliza este princípio, controlando o processo de aquecimento e resfriamento do laser, para atingir o endurecimento da superfície do material ou de áreas localizadas.

Reação Fotoquímica: A irradiação a laser também pode desencadear reações fotoquímicas em materiais. Estas reações incluem não apenas processos físicos (como fotólise, fotopolimerização), mas também processos químicos, que podem alterar fundamentalmente as propriedades dos materiais. Este princípio é usado em áreas como fotolitografia e modificação de superfícies de materiais.

Fotocromismo: Alguns materiais sofrem reações fotocrômicas sob irradiação laser, ou seja, alteração na cor do material. Essa alteração é causada por alterações na estrutura eletrônica do material após a absorção da energia luminosa. Esta tecnologia tem potencial valor de aplicação em áreas como armazenamento de dados e tecnologia de exibição.

O mecanismo de ação relevante é mostrado na figura abaixo:

1. Quando a densidade de potência do laser 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 aumente da superfície para o interior, mas a fase sólida permanece inalterada. Usado principalmente para recozimento e endurecimento por mudança de fase de peças, principalmente ferramentas de corte, engrenagens e rolamentos.
   
2. À medida que a densidade de potência do laser aumenta (10^4~10^6w/cm^2) e o tempo de irradiação aumenta, a camada superficial do material derrete gradualmente. À medida que a energia de entrada aumenta, a interface fase líquido-sólida move-se gradualmente em direção à profundidade do material. Este Este processo físico é usado principalmente para refusão de superfícies, ligas, revestimentos e soldagem por condutividade térmica de metais.
3. Aumente ainda mais a densidade de potência (>10^6w/cm^2) e aumente o tempo de ação do laser. A superfície do material não apenas derrete, mas também vaporiza. Os vapores se reúnem perto da superfície do material e são fracamente ionizados para formar 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 para soldagem térmica condutiva de microconexões dentro de 0.5 mm.
4. Se a densidade de potência for aumentada ainda mais (>10^7w/cm^2) e o tempo de irradiação for prolongado, a superfície do material será fortemente vaporizada para formar um plasma com maior 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 a grande força de reação do vapor, um pequeno orifício é formado dentro do metal fundido, geralmente chamado de buraco de fechadura. A existência do buraco da fechadura favorece a absorção do laser pelo material. Este estágio pode ser usado Adequado para soldagem profunda a laser, corte e perfuração, endurecimento por impacto, etc.
   
   

Sob diferentes condições, quando lasers com diferentes comprimentos de onda irradiam diferentes materiais metálicos, haverá certas diferenças nos valores específicos da densidade de potência em cada estágio. Em termos de absorção de material do laser, a vaporização do material é uma linha divisória. Quando o material não vaporiza, seja na fase sólida ou na fase líquida, sua absorção do laser só muda lentamente com o aumento da temperatura da superfície; uma vez que o material vaporiza e forma plasma e buraco de fechadura, a absorção do laser pelo material, a absorção mudará repentinamente.

A figura abaixo mostra como a taxa de absorção do laser da superfície do material durante laser soldagem muda 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 laser do material aumenta lentamente à medida que a temperatura da superfície do material aumenta. Quando a densidade de potência é maior que (10^6w/cm2), o material vaporiza violentamente, formando um buraco de fechadura, e o laser entra no buraco da fechadura e é refletido várias vezes. A absorção faz com que a taxa de absorção do laser do material aumente dramaticamente e a profundidade de penetração aumentará significativamente.

1.2 Absorção de laser por materiais metálicos – comprimento de onda

Mecanismo de absorção do laser:
A absorção do laser pelos metais é conseguida principalmente através do movimento de elétrons livres. Quando um laser brilha na superfície do metal, seu campo eletromagnético fará com que os elétrons livres do metal vibrem. Essa energia vibracional é então transferida na forma de calor para a estrutura metálica, aquecendo assim o material. Esta característica de absorção dos metais os torna excelentes materiais para processamento a laser.

Efeito do comprimento de onda
Comprimento de onda curto (UV para região de luz visível):Os metais geralmente absorvem o laser de comprimento de onda curto mais facilmente na faixa de comprimento de onda curto. Isso ocorre porque os elétrons livres no metal podem interagir efetivamente com o campo eletromagnético da luz de comprimento de onda curto, fazendo com que a energia seja transferida da onda de luz para o metal, criando um efeito térmico. Lasers de comprimento de onda curto podem alcançar maior precisão de posicionamento e diâmetros de foco menores, tornando-os adequados para processamento fino.

Comprimento de onda médio (região infravermelha próxima):Lasers na região do infravermelho próximo, como lasers de fibra (comprimento de onda de aproximadamente 1064 nanômetros), têm altas taxas de absorção em metais e são a faixa de comprimento de onda mais comumente usada no processamento de metal. uma taxa de absorção relativamente alta, tornando-o adequado para processamento profundo e processamento de alta eficiência.

Comprimento de onda longo (região do infravermelho distante):Para lasers de comprimento de onda longo, como Lasers de CO2 (o comprimento de onda é de cerca de 10.6 mícrons), à medida que o comprimento de onda aumenta, a eficiência de absorção da energia do laser pelos metais geralmente diminui, o que significa que a reflexão de lasers de comprimento de onda longo (como a luz infravermelha distante) na superfície do metal A taxa é maior e a taxa de absorção é menor. A taxa de absorção em metais é relativamente baixa. No entanto, como seu comprimento de onda é muito maior que o caminho livre médio dos elétrons livres dos metais, sua eficiência de absorção em alguns materiais metálicos específicos ainda é aceitável. Lasers de comprimento de onda longo são usados ​​principalmente para processamento de materiais não metálicos, mas também têm uso em algumas aplicações especiais de processamento de metal.

A figura abaixo mostra a relação entre refletância, absortividade e comprimento de onda de metais comumente usados ​​à temperatura ambiente. Na região infravermelha, a absortividade diminui e a refletividade aumenta à medida que o comprimento de onda aumenta. mas têm reflexos fracos na luz infravermelha de comprimento de onda de 10.6um (2nm). Os materiais metálicos têm taxas de absorção mais altas para lasers de comprimento de onda curto, como bluz lue e luz verde.

1.3 Absorção de laser por materiais metálicos – temperatura

1.3.1 Taxas de absorção de diferentes formas de ligas de alumínio:

Quando o material é sólido, a taxa de absorção do laser é de cerca de 5-7%;

Taxa de absorção de líquidos até 25-35%;

Pode atingir mais de 90% no estado de fechadura.

1.3.2 A taxa de absorção do laser dos materiais aumenta com a temperatura:

As taxas de absorção dos materiais metálicos à temperatura ambiente são muito pequenas;

Quando a temperatura sobe perto do ponto de fusão, sua taxa de absorção pode chegar a 40%~60%;

Se a temperatura estiver próxima do ponto de ebulição, a taxa de absorção chega a 90%.

1.4 Absorção de laser por materiais metálicos – condições de superfície

A absortividade convencional é medida usando uma superfície metálica lisa. Em aplicações práticas de aquecimento a laser, geralmente é necessário aumentar a absortividade do laser de certos materiais altamente reflexivos (alumínio, cobre) para evitar alta reflexão levando a falsa soldagem;

Os seguintes métodos podem ser usados: Processos apropriados de pré-tratamento de superfície são adotados para melhorar a refletividade do laser. Oxidação de protótipo, jateamento de areia, laser limpeza, revestimento de níquel, revestimento de estanho, revestimento de grafite, etc. podem melhorar a taxa de absorção do laser do material.