La interacción entre el láser y los materiales implica muchos fenómenos y características físicas. Los próximos tres artículos presentarán los tres fenómenos físicos clave relacionados con el proceso de soldadura láser con el fin de brindar a los colegas una comprensión más clara del mismo.proceso de soldadura láserSe divide en tasa de absorción láser y cambios de estado, plasma y efecto ojo de cerradura. En esta ocasión, actualizaremos la relación entre los cambios de estado del láser y los materiales y la tasa de absorción.
Cambios en el estado de la materia causados por la interacción entre el láser y los materiales.
El procesamiento láser de materiales metálicos se basa principalmente en el procesamiento térmico de efectos fototérmicos. Al aplicar la irradiación láser a la superficie del material, se producen diversos cambios en dicha superficie a diferentes densidades de potencia. Estos cambios incluyen el aumento de la temperatura superficial, la fusión, la vaporización, la formación de poros y la generación de plasma. Además, las modificaciones en el estado físico de la superficie del material influyen considerablemente en su absorción del láser. Con el aumento de la densidad de potencia y el tiempo de exposición, el material metálico experimentará los siguientes cambios de estado:
Cuando elpotencia 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 inalterada. Se utiliza principalmente para el recocido de piezas y el tratamiento de endurecimiento por transformación de fase, siendo las herramientas, los engranajes y los cojinetes los más utilizados;
Con el aumento de la densidad de potencia del láser (10⁴-10⁶ W/cm²) 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 desplaza progresivamente hacia el interior del material. Este proceso físico se utiliza principalmente para la refundición superficial, la aleación, el revestimiento y la soldadura por conductividad térmica de metales.
Al aumentar aún más la densidad de potencia (>10⁶ W/cm²) y prolongar el tiempo de acción del láser, la superficie del material no solo se funde, sino que también se vaporiza. Las sustancias vaporizadas se acumulan cerca de la superficie y se ionizan débilmente, formando un plasma. Este plasma delgado ayuda al material a absorber el láser. Bajo la presión de la vaporización y la expansión, la superficie líquida se deforma y forma microcavidades. Esta etapa se puede utilizar para la soldadura láser, generalmente en la soldadura por conductividad térmica de microconexiones de hasta 0,5 mm.
Al aumentar aún más la densidad de potencia (>10⁷ W/cm²) y prolongar el tiempo de irradiación, la superficie del material experimenta una fuerte vaporización, formando un plasma con un alto grado de ionización. Este plasma denso actúa como escudo contra el láser, reduciendo considerablemente la densidad de energía del láser incidente en el material. Al mismo tiempo, bajo una gran fuerza de reacción de vapor, se forman pequeños orificios, comúnmente conocidos como "ojos de cerradura", en el interior del metal fundido. La existencia de estos orificios favorece la absorción del láser por parte del material, y esta etapa puede utilizarse para soldadura por fusión profunda láser, corte y perforación, endurecimiento por impacto, etc.
En diferentes condiciones, las distintas longitudes de onda de la irradiación láser sobre diferentes materiales metálicos darán como resultado valores específicos de densidad de potencia en cada etapa.
En lo que respecta a la absorción del láser por los materiales, la vaporización de estos constituye un límite. Cuando el material no se vaporiza, ya sea en fase sólida o líquida, su absorción del láser varía lentamente con el aumento de la temperatura superficial; una vez que el material se vaporiza y forma plasma y poros, su absorción del láser cambia 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 está fundido, la tasa de absorción del láser aumenta lentamente con el incremento de la temperatura de la superficie del material. Cuando la densidad de potencia supera los 10⁶ W/cm², el material se vaporiza violentamente, formando un orificio. El láser entra en este orificio, experimentando múltiples reflexiones y absorción, lo que resulta en un aumento significativo de la tasa de absorción del láser por parte del material y un incremento considerable de la profundidad de fusión.
Absorción del láser por materiales metálicos – Longitud de onda
La figura anterior muestra la relación entre la reflectividad, la absorbancia y la longitud de onda de metales de uso común a temperatura ambiente. En la región infrarroja, la tasa de absorción disminuye y la reflectividad aumenta con el incremento de la longitud de onda. La mayoría de los metales reflejan fuertemente la luz infrarroja de 10,6 µm (CO₂) y débilmente la de 1,06 µm (1060 nm). Los materiales metálicos presentan mayores tasas de absorción para láseres de longitud de onda corta, como la luz azul y verde.
Absorción del láser por materiales metálicos: temperatura del material y densidad de energía del láser.
Tomando como ejemplo la aleación de aluminio, cuando el material está en estado sólido, la tasa de absorción del láser ronda el 5-7%, la tasa de absorción en estado líquido llega al 25-35%, y puede alcanzar más del 90% en estado de ojo de cerradura.
La tasa de absorción del material al láser aumenta con la temperatura. La tasa de absorción de los materiales metálicos a temperatura ambiente es muy baja. Cuando la temperatura se acerca al punto de fusión, su tasa de absorción puede alcanzar entre el 40 % y el 60 %. Si la temperatura se aproxima al punto de ebullición, su tasa de absorción puede llegar hasta el 90 %.
Absorción del láser por materiales metálicos – Condición de la superficie
La tasa de absorción convencional se mide utilizando una superficie metálica lisa, pero en las aplicaciones prácticas del calentamiento láser, suele ser necesario aumentar la tasa de absorción de ciertos materiales de alta reflectancia (aluminio, cobre) para evitar soldaduras defectuosas causadas por la alta reflectancia;
Se pueden utilizar los siguientes métodos:
1. Adoptar procesos de pretratamiento de superficie adecuados para mejorar la reflectividad del láser: la oxidación de prototipos, el arenado, la limpieza láser, el niquelado, el estañado, el recubrimiento de grafito, etc., pueden mejorar la tasa de absorción del láser del material;
El objetivo principal es aumentar la rugosidad de la superficie del material (lo que favorece la reflexión y absorción múltiple del láser), así como incrementar la cantidad de material de recubrimiento con alta capacidad de absorción. Al absorber la energía láser, fundirla y volatilizarla a través de materiales con alta capacidad de absorción, el calor del láser se transmite al material base para mejorar su capacidad de absorción y reducir la soldadura virtual causada por el fenómeno de alta reflexión.
Fecha de publicación: 23 de noviembre de 2023
