
Cosa rende così affascinante l'interazione metallo-laser? È l'interazione tra la luce e le particelle cariche del metallo che determina livelli variabili di riflessione, assorbimento e trasmissione. Questo articolo si addentra nella scienza che sta alla base dell'assorbimento del metallo-laser, esplorando fattori quali la lunghezza d'onda del laser, le proprietà del materiale, la temperatura e le condizioni della superficie. I lettori impareranno come questi elementi influenzano il trasferimento di energia durante la lavorazione laser e otterranno informazioni sull'ottimizzazione dell'uso del laser per una maggiore efficienza e precisione.
La riflessione, l'assorbimento e la trasmissione della luce sulla superficie del materiale sono essenzialmente il risultato dell'interazione tra il campo elettromagnetico delle onde luminose e le particelle cariche del materiale. I metalli hanno un'alta densità di elettroni liberi, che sono costretti a vibrare dal campo elettromagnetico delle onde luminose, producendo onde elettromagnetiche secondarie (sub-onde).
L'interferenza tra queste sotto-onde e tra le sotto-onde e le onde incidenti genera forti onde riflesse e onde trasmesse relativamente deboli, che vengono assorbite da un sottile strato di superficie metallica. Pertanto, la superficie metallica ha spesso un elevato rapporto di riflessione rispetto al laser. Soprattutto per la luce infrarossa a bassa frequenza, l'energia dei fotoni è bassa e colpisce principalmente gli elettroni liberi nel metallo, riflettendoli fortemente.
Per la luce visibile a frequenza più elevata e la luce ultravioletta con una maggiore energia dei fotoni, possono influenzare gli elettroni legati nel metallo. L'azione degli elettroni legati riduce la riflettività del metallo, aumenta la sua trasmissibilità e migliora l'assorbimento del laser da parte del metallo.
A causa dell'alta densità di elettroni liberi, l'onda trasmessa viene assorbita all'interno di uno strato superficiale molto sottile di metallo. Le misure effettuate dalla luce ultravioletta con lunghezza d'onda di 0,25μm alla luce infrarossa con lunghezza d'onda di 10,6μm mostrano che la profondità di penetrazione della luce in vari metalli è di soli 0,01~0,1μm.
Come spiegato in precedenza, la profondità di penetrazione è uguale al reciproco del coefficiente di assorbimento lineare, quindi il coefficiente di assorbimento lineare del metallo alle onde luminose è grande, tra 105~106 cm-1.
Dopo aver assorbito il laser, il materiale converte l'energia luminosa in energia termica eccitando la risonanza di particelle cariche e le collisioni tra particelle. L'intero processo si completa in un tempo molto breve. Il tempo complessivo di rilassamento dell'energia per i metalli è tipicamente del 10-13s. Per il generale lavorazione laserSi ritiene che la conversione del laser assorbito in energia termica avvenga istantaneamente.
In quell'istante, il calore è confinato nell'area di irradiazione laser del materiale. La successiva conduzione termica trasferisce il calore dalle aree ad alta temperatura a quelle a temperatura più bassa.
Il assorbimento del laser dal metallo è legato a una serie di fattori quali la lunghezza d'onda del laser, le proprietà del materiale, la temperatura, le condizioni della superficie e le caratteristiche di polarizzazione.
In generale, maggiore è la lunghezza d'onda del laser, maggiore è il rapporto di riflessione e minore quello di assorbimento.
La Figura 1-2 mostra la relazione tra il rapporto di riflessione R dei metalli comunemente utilizzati a temperatura ambiente e la lunghezza d'onda. Nella regione dell'infrarosso, il rapporto di assorbimento A è approssimativamente proporzionale a (ρ/λ)1/2dove ρ è la resistività del materiale e λ è la lunghezza d'onda. All'aumentare della lunghezza d'onda, il rapporto di assorbimento A diminuisce e il rapporto di riflessione R aumenta.
Il rapporto di assorbimento A di vari metalli a diverse lunghezze d'onda del laser a 20℃ è riportato nella Tabella 1-1.
Come si può notare dalla Tabella 1-1, a temperatura ambiente, il rapporto di assorbimento del laser infrarosso con lunghezza d'onda di 10,6μm sulla superficie metallica è quasi di un ordine di grandezza inferiore a quello della luce visibile (le lunghezze d'onda del laser nella tabella sono 500nm e 700nm), mentre il rapporto di assorbimento del laser infrarosso YAG con lunghezza d'onda di 1,06μm è significativamente più grande di quello del laser CO2 laser.
Tabella 1-1: rapporti di assorbimento di vari metalli a diverse lunghezze d'onda laser a 20℃
I materiali | Argon Ion | Rubino | YAG | CO2 |
Lunghezza d'onda | 500nm | 700nm | 1,06μm | 10,6μm |
Alluminio | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
Rame | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
Oro | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
Iridium | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
Ferro | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
Piombo | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
Molibdeno | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
Nichel | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
Niobio | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
Platino | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
Nichel | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
Argento | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
Tantalio | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
Stagno | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
Titanio | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
Tungsteno | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
Zinco | - | - | 0.16 | 0.027 |
Come mostrato nella Figura 1-2, nella regione della luce visibile e nelle aree adiacenti, metalli diversi presentano complesse variazioni di riflettanza. Tuttavia, nella gamma degli infrarossi, dove λ>2μm, l'ordine di riflettanza dei metalli è: Argento > Rame > Alluminio > Nichel > Acciaio al carbonio, il che indica che migliore è la conduttività del materiale, maggiore è la sua riflettanza alla radiazione infrarossa.
Questa regola può essere spiegata dal meccanismo di assorbimento del laser da parte di questi metalli: in questa banda infrarossa, l'energia del fotone è bassa e può accoppiarsi solo con gli elettroni liberi del metallo. Più bassa è la resistività del metallo, maggiore è la densità di elettroni liberi. La vibrazione forzata degli elettroni liberi produce onde riflesse più forti, con conseguente aumento del rapporto di riflettanza.
I calcoli mostrano che esiste una relazione approssimativa tra il rapporto di assorbimento e la resistività del metallo come segue:
Nella formula:
A rappresenta il rapporto di assorbimento del metallo rispetto al laser;
ρ è la resistività del materiale metallico al momento della misurazione (Ω-cm);
λ è la lunghezza d'onda del laser (cm).
Questa relazione è stata confermata da test su diverse superfici metalliche lucidate.
La resistività del metallo aumenta con l'aumentare della temperatura, il che dimostra che:
Nell'equazione:
ρ20 è la resistività del materiale metallico a 20℃ (Ω-cm);
γ è il coefficiente di temperatura della resistenza (℃-1);
T è la temperatura (℃).
Sostituendo l'equazione (1-14) nell'equazione (1-13), possiamo calcolare il rapporto di assorbimento a diverse temperature, che è dato da:
Come si evince dall'equazione (1-15), il rapporto di assorbimento aumenta all'aumentare della temperatura. Questa relazione non è applicabile solo ai metalli solidi, ma è valida anche per i metalli liquidi.
La Tabella 1-2 elenca la resistività p20 e il coefficiente di temperatura della resistenza γ per vari metalli a 20℃. La Figura 1-3 mostra la variazione del rapporto di assorbimento di diversi metalli a un laser a infrarossi con lunghezza d'onda di 10,6μm con la temperatura, calcolata secondo l'equazione (1-15).
Si nota che, sebbene il coefficiente di resistenza alla temperatura dell'acciaio a basso tenore di carbonio non sia significativamente diverso da quello dell'alluminio e del rame, la sua resistività a 20℃ è molto più grande, il che rende il suo rapporto di assorbimento non solo maggiore in valore assoluto, ma aumenta anche più rapidamente con la temperatura. Tuttavia, nel complesso, le superfici lucidate della maggior parte dei solidi materiali metallici hanno un basso rapporto di assorbimento rispetto a un laser con lunghezza d'onda di 10,6μm, nessuno superiore a 11%.
Tabella 1-2: Resistività ρ20 e coefficiente di resistenza γ alla temperatura per vari metalli a 20℃.
I materiali | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | I materiali | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
Alluminio | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Nichel | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
Ottone | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Platino | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
Bronzo | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Argento | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
Lega di rame-nichel | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Acciaio legato | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
Rame | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Acciaio a basso tenore di carbonio | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
Oro | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Acciaio strutturale | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Tantalio | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
Ferro | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Stagno | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
Manganese | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | Cadmio | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
Molibdeno | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Zinco | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
Lega di nichelcromo | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
La rugosità della superficie metallica, lo stato del film di ossido e la presenza di speciali rivestimenti superficiali possono influenzare in modo significativo il rapporto di assorbimento dei laser a infrarossi.
I rapporti di assorbimento della Tabella 1-1 sono stati misurati utilizzando superfici metalliche lisce nel vuoto. Tuttavia, le superfici metalliche effettivamente riscaldate dal laser, a causa dell'ossidazione e della contaminazione, presentano rapporti di assorbimento per i laser a infrarossi molto più elevati rispetto ai valori riportati nella tabella. L'impatto delle condizioni della superficie sul rapporto di assorbimento della luce visibile è relativamente piccolo.
La Tabella 1-3 mostra l'effetto delle condizioni superficiali dell'alluminio e delle sue leghe sul rapporto di assorbimento di CO2 laser.
Tabella 1-3: Impatto delle condizioni superficiali dell'alluminio e delle sue leghe sul rapporto di assorbimento di CO2 laser[6](%).
I materiali | Superficie originale | Elettrolucidatura | Sabbiatura | Anodizzazione |
Alluminio puro | 7 | 5 | 20 | 22 |
Lega di alluminio 5456 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
Il film di ossido formato sul metallo materiali ad alte temperature aumenta significativamente il rapporto di assorbimento. La Figura 1-4 mostra la relazione tra il rapporto di assorbimento di un laser a infrarossi con lunghezza d'onda di 10,6μm sulla superficie dell'acciaio inox 304 ossidato in aria per 1 minuto e la temperatura di ossidazione; la Figura 1-5 mostra la relazione tra il rapporto di assorbimento di una superficie di molibdeno e lo stesso laser con la temperatura e il tempo di ossidazione.
Poiché lo spessore del film di ossido è funzione della temperatura e del tempo di ossidazione, anche il rapporto di assorbimento del laser è influenzato dalla temperatura e dal tempo di ossidazione. Il rapporto di assorbimento dei materiali metallici a una lunghezza d'onda di 10,6μm del laser CO2 laser aumenta significativamente con la temperatura, a causa di due fattori: l'aumento della resistività e l'ossidazione superficiale ad alta temperatura.
I fosfati, la zirconia, l'ossido di titanio, la silice, così come il nerofumo, la grafite, ecc. sono sostanze con elevati rapporti di assorbimento della CO2 laser. I rivestimenti superficiali composti principalmente da queste sostanze possono aumentare in modo significativo il rapporto di assorbimento dei metalli ai laser infrarossi, il che è diventato una misura importante da adottare durante il trattamento termico superficiale con laser.
Tuttavia, per saldatura laserL'aumento di fosforo, ossigeno e carbonio è molto dannoso. Possono ridurre la plasticità e la tenacità del prodotto. cordone di saldaturae il loro uso deve essere attentamente valutato.
Quando il laser incidente non è perpendicolare alla superficie del materiale, il rapporto di riflessione e il rapporto di assorbimento sono legati allo stato di polarizzazione del laser incidente. Questo aspetto è stato trattato nella sezione 1.1.1.