L'interazione tra laser e materiali coinvolge molti fenomeni e caratteristiche fisiche. I prossimi tre articoli introdurranno i tre fenomeni fisici chiave relativi al processo di saldatura laser al fine di fornire ai colleghi una comprensione più chiara delprocesso di saldatura laser: suddiviso in tasso di assorbimento del laser e cambiamenti di stato, plasma ed effetto keyhole. Questa volta, aggiorneremo la relazione tra i cambiamenti di 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 sul trattamento termico tramite effetti fototermici. Quando l'irradiazione laser viene applicata alla superficie del materiale, si verificano diverse modifiche nell'area superficiale del materiale a seconda della densità di potenza. Queste modifiche includono l'aumento della temperatura superficiale, la fusione, la vaporizzazione, la formazione di fori e la generazione di plasma. Inoltre, le modifiche dello stato fisico dell'area superficiale del materiale influenzano notevolmente l'assorbimento del laser da parte del materiale stesso. Con l'aumento della densità di potenza e del tempo di azione, il materiale metallico subirà le seguenti modifiche di stato:
Quando ilpotenza laserLa densità è bassa (<10^4 W/cm^2) e il tempo di irradiazione è breve, l'energia laser assorbita dal metallo può solo causare un aumento della temperatura del materiale dalla superficie verso l'interno, ma la fase solida rimane invariata. Viene utilizzato principalmente per la ricottura dei pezzi e il trattamento di indurimento per trasformazione di fase, con utensili, ingranaggi e cuscinetti che rappresentano la maggior parte delle applicazioni;
Con l'aumento della densità di potenza del laser (10^4-10^6 W/cm^2) e il prolungamento del tempo di irradiazione, la superficie del materiale si fonde gradualmente. Man mano che l'energia in ingresso aumenta, l'interfaccia liquido-solido si sposta progressivamente verso la parte più profonda del materiale. Questo processo fisico viene utilizzato principalmente per la rifusione superficiale, la lega, il rivestimento e la saldatura a conduzione termica dei metalli.
Aumentando ulteriormente la densità di potenza (>10^6 W/cm^2) e prolungando il tempo di azione del laser, la superficie del materiale non solo si fonde ma vaporizza anche, e le sostanze vaporizzate si accumulano vicino alla superficie del materiale e si ionizzano debolmente per formare un plasma. Questo sottile plasma aiuta il materiale ad assorbire il laser; sotto la pressione di vaporizzazione ed espansione, la superficie liquida si deforma e forma delle cavità. Questa fase può essere utilizzata per la saldatura laser, solitamente nella saldatura a conducibilità termica di microconnessioni entro 0,5 mm.
Aumentando ulteriormente la densità di potenza (>10^7 W/cm^2) e prolungando il tempo di irradiazione, la superficie del materiale subisce una forte vaporizzazione, formando un plasma con un elevato grado di ionizzazione. Questo plasma denso ha un effetto schermante sul laser, riducendo notevolmente la densità di energia del laser incidente sul materiale. Allo stesso tempo, sotto l'effetto di una forte forza di reazione del vapore, si formano piccoli fori, comunemente noti come "fori a chiave", all'interno del metallo fuso. La presenza di questi fori favorisce l'assorbimento del laser da parte del materiale, e questa fase può essere utilizzata per la saldatura a fusione profonda laser, il taglio e la foratura, l'indurimento per impatto, ecc.
In condizioni diverse, diverse lunghezze d'onda dell'irradiazione laser su diversi materiali metallici produrranno valori specifici di densità di potenza in ogni fase.
Per quanto riguarda l'assorbimento del laser da parte dei materiali, la vaporizzazione dei materiali rappresenta un limite. Quando il materiale non subisce vaporizzazione, sia allo stato solido che liquido, il suo assorbimento del laser varia solo lentamente con l'aumento della temperatura superficiale; una volta che il materiale vaporizza e forma plasma e fori, l'assorbimento del laser del materiale cambia improvvisamente.
Come illustrato nella Figura 2, il tasso di assorbimento del laser sulla superficie del materiale durante la saldatura laser varia in funzione della densità di potenza del laser e della temperatura superficiale del materiale. Quando il materiale non è fuso, il tasso di assorbimento del laser da parte del materiale aumenta lentamente con l'aumento della temperatura superficiale del materiale. Quando la densità di potenza è maggiore di (10 ^ 6 W/cm ^ 2), il materiale vaporizza violentemente, formando un foro di penetrazione. Il laser entra nel foro di penetrazione subendo riflessioni e assorbimenti multipli, con conseguente aumento significativo del tasso di assorbimento del laser da parte del materiale e un aumento significativo della profondità di fusione.
Assorbimento del laser da parte dei materiali metallici – Lunghezza d'onda
La figura sopra riportata mostra la curva che illustra la relazione tra riflettività, assorbanza e lunghezza d'onda dei metalli comunemente utilizzati 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 µm (CO2), mentre riflette debolmente la luce infrarossa con lunghezza d'onda di 1,06 µm (1060 nm). I materiali metallici presentano 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 di 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 di "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 fino a raggiungere la temperatura di fusione, il suo tasso di assorbimento può arrivare al 40%-60%. Se la temperatura è prossima al punto di ebollizione, il suo tasso di assorbimento può raggiungere addirittura il 90%.
Assorbimento del laser da parte di materiali metallici – Condizioni superficiali
Il tasso di assorbimento convenzionale viene misurato utilizzando una superficie metallica liscia, ma nelle applicazioni pratiche del riscaldamento laser, è solitamente necessario aumentare il tasso di assorbimento di alcuni materiali ad alta riflettività (alluminio, rame) per evitare saldature errate causate dall'elevata riflessione;
È possibile utilizzare i seguenti metodi:
1. Adottare processi di pretrattamento superficiale appropriati per migliorare la riflettività del laser: ossidazione del prototipo, sabbiatura, pulizia laser, nichelatura, stagnatura, rivestimento in grafite, ecc. possono tutti migliorare il tasso di assorbimento del laser da parte del materiale;
L'obiettivo principale è aumentare la rugosità della superficie del materiale (che favorisce riflessioni e assorbimenti multipli del laser), nonché incrementare la quantità di materiale di rivestimento con un elevato tasso di assorbimento. Assorbendo l'energia laser e fondendola e volatilizzandola attraverso materiali ad alto tasso di assorbimento, il calore del laser viene trasmesso al materiale di base per migliorarne il tasso di assorbimento e ridurre la saldatura virtuale causata dal fenomeno dell'elevata riflessione.
Data di pubblicazione: 23 novembre 2023
