L'interazione tra laser e materiali coinvolge numerosi fenomeni e caratteristiche fisiche. I prossimi tre articoli introdurranno i tre fenomeni fisici chiave legati al processo di saldatura laser al fine di fornire ai colleghi una comprensione più chiara del processo di saldatura laser.processo di saldatura laser: suddiviso in tasso di assorbimento del laser e cambiamenti di stato, effetto plasma ed effetto buco della serratura. Questa volta aggiorneremo la relazione tra i cambiamenti nello stato del laser e dei materiali e il tasso di assorbimento.
Cambiamenti di stato della materia causati dall'interazione tra laser e materiali
La lavorazione laser dei materiali metallici si basa principalmente sulla lavorazione termica degli effetti fototermici. Quando l'irradiazione laser viene applicata alla superficie del materiale, si verificano vari cambiamenti nell'area superficiale del materiale a diverse densità di potenza. Questi cambiamenti includono l’aumento della temperatura superficiale, la fusione, la vaporizzazione, la formazione del buco della serratura e la generazione di plasma. Inoltre, i cambiamenti nello stato fisico della superficie del materiale influenzano notevolmente l'assorbimento del laser da parte del materiale. Con l’aumento della densità di potenza e del tempo di azione, il materiale metallico subirà i seguenti cambiamenti di stato:
Quando ilpotenza del laserla densità è bassa (<10^4w/cm^2) e il tempo di irradiazione è breve, l'energia laser assorbita dal metallo può solo far salire la temperatura del materiale dalla superficie verso l'interno, ma la fase solida rimane invariata . Viene utilizzato principalmente per la ricottura delle parti e il trattamento di tempra con trasformazione di fase, con la maggioranza di utensili, ingranaggi e cuscinetti;
Con l'aumento della densità di potenza del laser (10^4-10^6w/cm^2) e il prolungamento del tempo di irradiazione, la superficie del materiale si scioglie gradualmente. All’aumentare dell’energia in ingresso, l’interfaccia liquido-solido si sposta gradualmente verso la parte profonda del materiale. Questo processo fisico viene utilizzato principalmente per la rifusione superficiale, la lega, il rivestimento e la saldatura a conducibilità termica dei metalli.
Aumentando ulteriormente la densità di potenza (>10 ^ 6w/cm ^ 2) e prolungando il tempo di azione del laser, la superficie del materiale non solo si scioglie ma vaporizza anche, e le sostanze vaporizzate si raccolgono vicino alla superficie del materiale e si ionizzano debolmente per formare un 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, solitamente nella saldatura a conducibilità termica di giunzioni di micro connessioni entro 0,5 mm.
Aumentando ulteriormente la densità di potenza (>10^7w/cm^2) e prolungando il tempo di irradiazione, la superficie del materiale subisce una forte vaporizzazione, formando un plasma ad elevato grado di ionizzazione. Questo plasma denso ha un effetto schermante sul laser, riducendo notevolmente la densità di energia del laser incidente nel materiale. Allo stesso tempo, sotto una grande forza di reazione del vapore, all'interno del metallo fuso si formano piccoli fori, comunemente noti come fori della serratura. L'esistenza dei fori della serratura è vantaggiosa per il materiale per assorbire il laser e questa fase può essere utilizzata per la fusione profonda del laser saldatura, taglio e foratura, tempra a impatto, ecc.
In condizioni diverse, diverse lunghezze d'onda dell'irradiazione laser su diversi materiali metallici daranno come risultato valori specifici di densità di potenza in ciascuna fase.
In termini di assorbimento del laser da parte dei materiali, la vaporizzazione dei materiali è un limite. Quando il materiale non subisce vaporizzazione, sia in fase solida che 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 buchi della serratura, l'assorbimento del laser da parte del materiale cambierà improvvisamente.
Come mostrato nella Figura 2, il tasso di assorbimento del laser sulla superficie del materiale durante la saldatura laser varia in base alla densità di potenza del laser e alla temperatura della superficie del materiale. Quando il materiale non è fuso, il tasso di assorbimento del materiale da parte del laser aumenta lentamente con l'aumento della temperatura superficiale del materiale. Quando la densità di potenza è maggiore di (10^6w/cm^2), il materiale vaporizza violentemente, formando un buco della serratura. Il laser entra nel buco della serratura per riflessioni e assorbimento multipli, determinando un aumento significativo del tasso di assorbimento del materiale da parte del laser e un aumento significativo della profondità di fusione.
Assorbimento del laser da parte di materiali metallici – Lunghezza d'onda
La figura sopra mostra la curva di relazione tra riflettività, assorbanza e lunghezza d'onda dei metalli comunemente usati a temperatura ambiente. Nella regione dell'infrarosso, il tasso di assorbimento diminuisce e la riflettività aumenta con l'aumentare della lunghezza d'onda. La maggior parte dei metalli riflette fortemente la luce infrarossa con lunghezza d'onda di 10,6 um (CO2), mentre riflette debolmente la luce infrarossa con lunghezza d'onda di 1,06 um (1060 nm). I materiali metallici hanno tassi di assorbimento più elevati per i laser a lunghezza d'onda corta, come la luce blu e verde.
Assorbimento del laser da parte dei materiali metallici: temperatura del materiale e densità dell'energia laser
Prendendo come esempio la lega di alluminio, quando il materiale è solido, il tasso di assorbimento del laser è di circa il 5-7%, il tasso di assorbimento del liquido arriva fino al 25-35% e può raggiungere oltre il 90% nello stato del buco della serratura.
Il tasso di assorbimento del materiale da parte del laser aumenta con l'aumentare della temperatura. Il tasso di assorbimento dei materiali metallici a temperatura ambiente è molto basso. Quando la temperatura sale vicino 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 può raggiungere il 90%.
Assorbimento del laser da parte dei materiali metallici – Condizioni della superficie
Il tasso di assorbimento convenzionale viene misurato utilizzando una superficie metallica liscia, ma nelle applicazioni pratiche del riscaldamento laser, di solito è necessario aumentare il tasso di assorbimento di alcuni materiali ad alta riflessione (alluminio, rame) per evitare false saldature causate dall'elevata riflessione;
È possibile utilizzare i seguenti metodi:
1. Adottare processi di pretrattamento superficiale adeguati per migliorare la riflettività del laser: ossidazione del prototipo, sabbiatura, pulizia laser, nichelatura, stagnatura, rivestimento in grafite, ecc. possono migliorare il tasso di assorbimento del laser da parte del materiale;
Lo scopo principale è quello di aumentare la ruvidità della superficie del materiale (che favorisce molteplici riflessioni e assorbimenti del laser), nonché di aumentare il materiale di rivestimento con un elevato tasso di assorbimento. Assorbendo l'energia laser e sciogliendola e volatilizzandola attraverso materiali ad alto tasso di assorbimento, il calore del laser viene trasmesso al materiale di base per migliorare il tasso di assorbimento del materiale e ridurre la saldatura virtuale causata dal fenomeno dell'elevata riflessione.
Orario di pubblicazione: 23 novembre 2023
