La interacción entre el láser y los materiales implica muchos fenómenos y características físicas. Los siguientes tres artículos presentarán los tres fenómenos físicos clave relacionados con el proceso de soldadura láser para brindar a los colegas una comprensión más clara de losproceso de soldadura láser: dividido en tasa de absorción del láser y cambios de estado, plasma y efecto ojo de cerradura. Esta vez, actualizaremos la relación entre los cambios en el estado del láser y los materiales y la tasa de absorción.
Cambios de estado de la materia provocados por la interacción entre láser y materiales.
El procesamiento láser de materiales metálicos se basa principalmente en el procesamiento térmico de efectos fototérmicos. Cuando se aplica irradiación láser a la superficie del material, se producirán varios cambios en el área de la superficie del material con diferentes densidades de potencia. Estos cambios incluyen el aumento de la temperatura de la superficie, la fusión, la vaporización, la formación de ojos de cerradura y la generación de plasma. Además, los cambios en el estado físico de la superficie del material afectan en gran medida la absorción del láser por parte del material. Con el aumento de la densidad de potencia y el tiempo de acción, el material metálico sufrirá los siguientes cambios de estado:
cuando elpotencia del láserLa densidad 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 tratamiento de endurecimiento por transformación de fase y recocido de piezas, siendo la mayoría herramientas, engranajes y cojinetes;
Con el aumento de la densidad de potencia del láser (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) y la prolongación del tiempo de irradiación, la superficie del material se funde gradualmente. A medida que aumenta la energía de entrada, la interfaz líquido-sólido se mueve gradualmente hacia la parte profunda 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.
Al aumentar aún más la densidad de potencia (>10 ^ 6w/cm ^ 2) y prolongar el tiempo de acción del láser, la superficie del material no solo se funde sino que también se vaporiza, y las sustancias vaporizadas se acumulan cerca de la superficie del material y se ionizan débilmente para formar un plasma. Este fino plasma ayuda al material a absorber 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 en el empalme de soldadura por conductividad térmica de microconexiones dentro de 0,5 mm.
Al aumentar aún más la densidad de potencia (>10 ^ 7w/cm ^ 2) y prolongar el tiempo de irradiación, la superficie del material sufre una fuerte vaporización, formando un plasma con un alto grado de ionización. Este plasma denso tiene un efecto protector sobre el láser, reduciendo en gran medida la densidad de energía del láser que incide en el material. Al mismo tiempo, bajo una gran fuerza de reacción del vapor, se forman pequeños agujeros, comúnmente conocidos como ojos de cerradura, dentro del metal fundido. La existencia de ojos de cerradura es beneficiosa para que el material absorba el láser, y esta etapa se puede utilizar para la fusión profunda con láser. soldadura, corte y perforación, endurecimiento por impacto, etc.
En diferentes condiciones, diferentes longitudes de onda de irradiación láser sobre diferentes materiales metálicos darán como resultado valores específicos de densidad de potencia en cada etapa.
En términos de absorción de láser por materiales, la vaporización de materiales es un límite. Cuando el material no sufre vaporización, 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 ojos de cerradura, la absorción del láser por parte del material cambiará repentinamente.
Como se muestra en la Figura 2, la tasa de absorción del láser en la superficie del material durante la soldadura láser varía 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 material por el láser aumenta lentamente con el aumento de la temperatura de la superficie del material. Cuando la densidad de potencia es mayor que (10 ^ 6w/cm ^ 2), el material se vaporiza violentamente, formando un ojo de cerradura. El láser ingresa por el ojo de la cerradura para múltiples reflexiones y absorción, lo que resulta en un aumento significativo en la tasa de absorción del material por el láser y un aumento significativo en la profundidad de fusión.
Absorción de láser por materiales metálicos – Longitud de onda
La figura anterior muestra la curva de relación entre la reflectividad, la absorbancia y la longitud de onda de los metales de uso común a temperatura ambiente. En la región infrarroja, la tasa de absorción disminuye y la reflectividad aumenta con el aumento de la longitud de onda. La mayoría de los metales reflejan fuertemente la luz infrarroja de longitud de onda de 10,6 um (CO2), mientras que reflejan débilmente 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 la luz azul y verde.
Absorción de láser por materiales metálicos: temperatura del material y densidad de energía del láser
Tomando como ejemplo la aleación de aluminio, cuando el material es sólido, la tasa de absorción del láser es de alrededor del 5-7%, la tasa de absorción de líquido es de hasta el 25-35% y puede alcanzar más del 90% en el estado de ojo de cerradura.
La tasa de absorción del material por el láser aumenta al aumentar la temperatura. La tasa de absorción de materiales metálicos a temperatura ambiente es muy baja. Cuando la temperatura aumenta cerca del punto de fusión, su tasa de absorción puede alcanzar el 40% ~ 60%. Si la temperatura está cerca del punto de ebullición, su tasa de absorción puede alcanzar hasta el 90%.
Absorción de láser por materiales metálicos: condición de la superficie
La tasa de absorción convencional se mide utilizando una superficie metálica lisa, pero en aplicaciones prácticas de calentamiento por láser, generalmente es necesario aumentar la tasa de absorción de ciertos materiales de alta reflexión (aluminio, cobre) para evitar soldaduras falsas causadas por alta reflexión;
Se pueden utilizar los siguientes métodos:
1. Adoptar procesos apropiados de pretratamiento de superficies para mejorar la reflectividad del láser: oxidación de prototipos, chorro de arena, limpieza con láser, niquelado, estañado, recubrimiento de grafito, etc., pueden mejorar la tasa de absorción del láser del material;
El núcleo es aumentar la rugosidad de la superficie del material (lo que favorece múltiples reflejos y absorción del láser), así como aumentar el material de recubrimiento con una alta tasa de absorción. Al absorber la energía del láser y fundirla y volatilizarla a través de materiales de alta tasa de absorción, el calor del láser se transmite al material base para mejorar la tasa de absorción del material y reducir la soldadura virtual causada por el fenómeno de alta reflexión.
Hora de publicación: 23-nov-2023
