La interacció entre el làser i els materials implica molts fenòmens i característiques físiques. Els tres articles següents presentaran els tres fenòmens físics clau relacionats amb el procés de soldadura làser per tal de proporcionar als col·legues una comprensió més clara de...procés de soldadura làser: dividit en taxa d'absorció del làser i canvis d'estat, plasma i efecte forat de pany. Aquesta vegada, actualitzarem la relació entre els canvis d'estat del làser i els materials i la taxa d'absorció.
Canvis d'estat de la matèria causats per la interacció entre el làser i els materials
El processament làser de materials metàl·lics es basa principalment en el processament tèrmic dels efectes fototèrmics. Quan s'aplica irradiació làser a la superfície del material, es produiran diversos canvis a la superfície del material a diferents densitats de potència. Aquests canvis inclouen l'augment de la temperatura superficial, la fusió, la vaporització, la formació de forats de pany i la generació de plasma. A més, els canvis en l'estat físic de la superfície del material afecten considerablement l'absorció del làser del material. Amb l'augment de la densitat de potència i el temps d'acció, el material metàl·lic experimentarà els següents canvis d'estat:
Quan elpotència làserla densitat és baixa (<10 ^ 4w/cm ^ 2) i el temps d'irradiació és curt, l'energia làser absorbida pel metall només pot fer que la temperatura del material augmenti des de la superfície cap a l'interior, però la fase sòlida roman sense canvis. S'utilitza principalment per al recuit de peces i el tractament d'enduriment per transformació de fase, sent majoritària la utilització d'eines, engranatges i coixinets;
Amb l'augment de la densitat de potència del làser (10^4-10^6w/cm^2) i la prolongació del temps d'irradiació, la superfície del material es fon gradualment. A mesura que augmenta l'energia d'entrada, la interfície líquid-sòlid es mou gradualment cap a la part profunda del material. Aquest procés físic s'utilitza principalment per a la refusió superficial, l'aliatge, el revestiment i la soldadura per conductivitat tèrmica de metalls.
En augmentar encara més la densitat de potència (>10 ^ 6w/cm ^ 2) i prolongar el temps d'acció del làser, la superfície del material no només es fon sinó que també es vaporitza, i les substàncies vaporitzades s'acumulen prop de la superfície del material i s'ionitzen feblement per formar un plasma. Aquest plasma fi ajuda el material a absorbir el làser; Sota la pressió de vaporització i expansió, la superfície del líquid es deforma i forma clots. Aquesta etapa es pot utilitzar per a la soldadura làser, generalment en la soldadura per empalmament de conductivitat tèrmica de microconnexions dins dels 0,5 mm.
En augmentar encara més la densitat de potència (>10 ^ 7w/cm ^ 2) i prolongar el temps d'irradiació, la superfície del material experimenta una forta vaporització, formant un plasma amb un alt grau d'ionització. Aquest plasma dens té un efecte de blindatge sobre el làser, reduint considerablement la densitat d'energia del làser incident al material. Al mateix temps, sota una gran força de reacció de vapor, es formen petits forats, comunament coneguts com a forats de pany, dins del metall fos. L'existència de forats de pany és beneficiosa perquè el material absorbeixi el làser, i aquesta etapa es pot utilitzar per a la soldadura per fusió profunda amb làser, el tall i la perforació, l'enduriment per impacte, etc.
En diferents condicions, diferents longituds d'ona d'irradiació làser sobre diferents materials metàl·lics donaran lloc a valors específics de densitat de potència a cada etapa.
Pel que fa a l'absorció del làser pels materials, la vaporització dels materials és un límit. Quan el material no experimenta vaporització, ja sigui en fase sòlida o líquida, la seva absorció del làser només canvia lentament amb l'augment de la temperatura de la superfície; un cop el material s'evapora i forma plasma i forats de pany, l'absorció del làser del material canviarà sobtadament.
Com es mostra a la Figura 2, la taxa d'absorció del làser a la superfície del material durant la soldadura làser varia amb la densitat de potència del làser i la temperatura de la superfície del material. Quan el material no està fos, la taxa d'absorció del material al làser augmenta lentament amb l'augment de la temperatura de la superfície del material. Quan la densitat de potència és superior a (10 ^ 6w/cm ^ 2), el material s'evapora violentament, formant un forat de pany. El làser entra al forat de pany per a múltiples reflexions i absorció, cosa que resulta en un augment significatiu de la taxa d'absorció del material al làser i un augment significatiu de la profunditat de fusió.
Absorció del làser per materials metàl·lics: longitud d'ona
La figura anterior mostra la corba de relació entre la reflectivitat, l'absorbància i la longitud d'ona dels metalls d'ús comú a temperatura ambient. A la regió infraroja, la taxa d'absorció disminueix i la reflectivitat augmenta amb l'augment de la longitud d'ona. La majoria dels metalls reflecteixen fortament la llum infraroja de longitud d'ona de 10,6 µm (CO2), mentre que reflecteixen feblement la llum infraroja de longitud d'ona d'1,06 µm (1060 nm). Els materials metàl·lics tenen taxes d'absorció més altes per als làsers de longitud d'ona curta, com ara la llum blava i la verda.
Absorció del làser per materials metàl·lics: temperatura del material i densitat de l'energia del làser
Prenent com a exemple l'aliatge d'alumini, quan el material és sòlid, la taxa d'absorció del làser és d'uns 5-7%, la taxa d'absorció de líquids és de fins a 25-35% i pot arribar a superar el 90% en estat de forat de pany.
La taxa d'absorció del material al làser augmenta amb l'augment de la temperatura. La taxa d'absorció dels materials metàl·lics a temperatura ambient és molt baixa. Quan la temperatura puja fins a prop del punt de fusió, la seva taxa d'absorció pot arribar al 40%~60%. Si la temperatura és propera al punt d'ebullició, la seva taxa d'absorció pot arribar al 90%.
Absorció del làser per materials metàl·lics: estat de la superfície
La taxa d'absorció convencional es mesura utilitzant una superfície metàl·lica llisa, però en aplicacions pràctiques d'escalfament làser, normalment cal augmentar la taxa d'absorció de certs materials d'alta reflexió (alumini, coure) per evitar la falsa soldadura causada per l'alta reflexió;
Es poden utilitzar els mètodes següents:
1. Adoptar processos de pretractament superficial adequats per millorar la reflectivitat del làser: l'oxidació de prototips, el sorrejat, la neteja amb làser, el niquelat, l'estanyat, el recobriment de grafit, etc. poden millorar la taxa d'absorció del làser del material;
El nucli és augmentar la rugositat de la superfície del material (cosa que afavoreix múltiples reflexions i absorció làser), així com augmentar el material de recobriment amb una alta taxa d'absorció. En absorbir l'energia làser i fondre-la i volatilitzar-la a través de materials d'alta taxa d'absorció, la calor del làser es transmet al material base per millorar la taxa d'absorció del material i reduir la soldadura virtual causada pel fenomen d'alta reflexió.
Data de publicació: 23 de novembre de 2023
