O que torna a interação metal-laser tão fascinante? É a interação entre a luz e as partículas carregadas do metal que resulta em níveis variados de reflexão, absorção e transmissão. Este artigo se aprofunda na ciência por trás da absorção metal-laser, explorando fatores como o comprimento de onda do laser, as propriedades do material, a temperatura e as condições da superfície. Os leitores aprenderão como esses elementos influenciam a transferência de energia durante o processamento a laser e obterão insights sobre a otimização do uso do laser para obter maior eficiência e precisão.
A reflexão, a absorção e a transmissão da luz na superfície do material são essencialmente o resultado da interação entre o campo eletromagnético das ondas de luz e as partículas carregadas no material. Os metais têm uma alta densidade de elétrons livres, que são forçados a vibrar pelo campo eletromagnético das ondas de luz, produzindo ondas eletromagnéticas secundárias (sub-ondas).
A interferência entre essas subondas e entre as subondas e as ondas incidentes resulta em ondas refletidas fortes e ondas transmitidas relativamente fracas, que são absorvidas por uma fina camada de superfície metálica. Portanto, a superfície metálica geralmente tem uma alta taxa de reflexão para o laser. Especialmente para a luz infravermelha de baixa frequência, sua energia de fóton é baixa, afetando principalmente os elétrons livres no metal, refletindo fortemente.
Para luz visível de frequência mais alta e luz ultravioleta com energia de fóton maior, elas podem afetar os elétrons ligados no metal. A ação dos elétrons ligados reduzirá a refletividade do metal, aumentará sua transmissibilidade e aumentará a absorção do laser pelo metal.
Devido à alta densidade de elétrons livres, a onda transmitida é absorvida dentro de uma camada superficial muito fina de metal. As medições de luz ultravioleta com comprimento de onda de 0,25 μm a luz infravermelha com comprimento de onda de 10,6 μm mostram que a profundidade de penetração da luz em vários metais é de apenas 0,01 a 0,1 μm.
Conforme explicado acima, a profundidade de penetração é igual à recíproca do coeficiente de absorção linear, portanto, o coeficiente de absorção linear do metal para ondas de luz é grande, entre 105~106 cm-1.
Depois de absorver o laser, o material converte a energia da luz em energia térmica, estimulando a ressonância de partículas carregadas e colisões entre partículas. Todo o processo é concluído em um tempo muito curto. O tempo total de relaxamento de energia para metais é normalmente de 10-13s. Para processamento a laserSe o laser for absorvido, acredita-se que a conversão do laser absorvido em energia térmica seja instantaneamente concluída.
Nesse instante, o calor é confinado à área de irradiação do laser do material. A condução de calor subsequente transfere o calor das áreas de alta temperatura para as de baixa temperatura.
O absorção do laser por metal está relacionada a uma série de fatores, como comprimento de onda do laser, propriedades do material, temperatura, condição da superfície e características de polarização.
De modo geral, quanto maior o comprimento de onda do laser, maior a taxa de reflexão e menor a taxa de absorção.
A Figura 1-2 mostra a relação entre a taxa de reflexão R de metais comumente usados em temperatura ambiente e o comprimento de onda. Na região do infravermelho, a taxa de absorção A é aproximadamente proporcional a (ρ/λ)1/2onde ρ é a resistividade do material e λ é o comprimento de onda. À medida que o comprimento de onda aumenta, a taxa de absorção A diminui e a taxa de reflexão R aumenta.
A taxa de absorção A de vários metais em diferentes comprimentos de onda do laser a 20 ℃ é mostrada na Tabela 1-1.
Como pode ser visto na Tabela 1-1, à temperatura ambiente, a taxa de absorção do laser infravermelho de comprimento de onda de 10,6 μm na superfície do metal é quase uma ordem de magnitude menor do que a da luz visível (os comprimentos de onda do laser na tabela são 500 nm e 700 nm), e a taxa de absorção do laser infravermelho YAG de 1,06 μm é significativamente maior do que a do laser de CO2 laser.
Tabela 1-1: Índices de absorção de vários metais em diferentes comprimentos de onda de laser a 20 ℃
| Materiais | Argônio Íon | Rubi | YAG | CO2 |
| Comprimento de onda | 500nm | 700nm | 1,06μm | 10,6μm |
| Alumínio | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| Cobre | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| Ouro | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| Irídio | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| Ferro | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Liderança | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Molibdênio | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| Níquel | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
| Nióbio | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
| Platina | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
| Níquel | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| Prata | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| Tântalo | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Estanho | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| Titânio | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| Tungstênio | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| Zinco | - | - | 0.16 | 0.027 |
Conforme mostrado na Figura 1-2, na região da luz visível e em suas áreas adjacentes, diferentes metais apresentam variações complexas na refletância. No entanto, na faixa de infravermelho em que λ>2μm, a ordem de refletância dos metais é: Prata > Cobre > Alumínio > Níquel > Aço carbono, o que indica que quanto melhor for a condutividade do material, maior será sua refletância para a radiação infravermelha.
Essa regra pode ser explicada pelo mecanismo de como esses metais absorvem o laser: nessa faixa de infravermelho, a energia do fóton é baixa e só pode se acoplar aos elétrons livres no metal. Quanto menor a resistividade do metal, maior a densidade de elétrons livres. A vibração forçada dos elétrons livres produz ondas refletidas mais fortes, resultando em uma taxa de refletância mais alta.
Os cálculos mostram que há uma relação aproximada entre a taxa de absorção e a resistividade do metal, como segue:
Na fórmula:
A representa a taxa de absorção do metal em relação ao laser;
ρ é a resistividade do material metálico no momento da medição (Ω-cm);
λ é o comprimento de onda do laser (cm).
Essa relação foi confirmada por testes em diferentes superfícies metálicas polidas.
A resistividade do metal aumenta com o aumento da temperatura, o que mostra que:
Na equação:
ρ20 é a resistividade do material metálico a 20 ℃ (Ω-cm);
γ é o coeficiente de temperatura da resistência (℃-1);
T é a temperatura (℃).
Substituindo a equação (1-14) pela equação (1-13), podemos calcular a taxa de absorção em diferentes temperaturas, que é dada por:
Como pode ser visto na equação (1-15), a taxa de absorção aumenta com o aumento da temperatura. Essa relação não é aplicável somente a metais sólidos, mas também é válida para metais líquidos.
A Tabela 1-2 lista a resistividade p20 e o coeficiente de temperatura da resistência γ para vários metais a 20°C. A Figura 1-3 mostra a alteração na taxa de absorção de vários metais para um laser infravermelho de comprimento de onda de 10,6μm com a temperatura, calculada de acordo com a equação (1-15).
Observa-se que, embora o coeficiente de resistência à temperatura do aço com baixo teor de carbono não seja significativamente diferente em comparação com o alumínio e o cobre, sua resistividade a 20°C é muito maior, o que faz com que sua taxa de absorção não só seja maior em valor absoluto, mas também aumente mais rapidamente com a temperatura. Entretanto, de modo geral, as superfícies polidas da maioria dos metais sólidos materiais metálicos têm uma baixa taxa de absorção em relação a um laser de comprimento de onda de 10,6 μm, nenhum excedendo o 11%.
Tabela 1-2: Resistividade ρ20 e coeficiente de resistência de temperatura γ para vários metais a 20 ℃.
| Materiais | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | Materiais | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
| Alumínio | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Níquel | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| Latão | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Platina | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| Bronze | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Prata | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| Liga de cobre e níquel | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Aço-liga | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| Cobre | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Aço de baixo carbono | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| Ouro | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Aço estrutural | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Tântalo | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| Ferro | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Estanho | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| Manganês | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | Cádmio | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
| Molibdênio | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Zinco | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Liga de nicromo | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
A rugosidade da superfície do metal, o estado do filme de óxido e a presença de revestimentos de superfície especiais podem afetar significativamente a taxa de absorção dos lasers infravermelhos.
As taxas de absorção na Tabela 1-1 foram medidas usando superfícies metálicas lisas em um vácuo. Entretanto, as superfícies metálicas aquecidas a laser, devido à oxidação e à contaminação, têm taxas de absorção muito maiores para lasers infravermelhos do que os valores da tabela. O impacto da condição da superfície sobre a taxa de absorção da luz visível é relativamente pequeno.
A Tabela 1-3 mostra o efeito da condição da superfície do alumínio e de suas ligas na taxa de absorção de CO2 lasers.
Tabela 1-3: Impacto da condição da superfície do alumínio e de suas ligas na taxa de absorção de CO2 lasers[6](%).
| Materiais | Superfície original | Eletropolimento | Jateamento de areia | Anodização |
| Alumínio puro | 7 | 5 | 20 | 22 |
| Liga de alumínio 5456 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
O filme de óxido formado no metal materiais em altas temperaturas aumenta significativamente a taxa de absorção. A Figura 1-4 mostra a relação entre a taxa de absorção de um laser infravermelho de comprimento de onda de 10,6μm na superfície do aço inoxidável 304 oxidado no ar por 1 minuto e a temperatura de oxidação; a Figura 1-5 mostra a relação entre a taxa de absorção de uma superfície de molibdênio e o mesmo laser com a temperatura e o tempo de oxidação.
Como a espessura do filme de óxido é uma função da temperatura e do tempo de oxidação, a taxa de absorção do laser também é afetada pela temperatura e pelo tempo de oxidação. A taxa de absorção de materiais metálicos para um laser de CO2 aumenta significativamente com a temperatura, devido a dois fatores: aumento da resistividade e oxidação da superfície em alta temperatura.
Fosfatos, zircônia, óxido de titânio, sílica, bem como negro de fumo, grafite, etc., são substâncias com altas taxas de absorção de CO2 lasers. Os revestimentos de superfície compostos principalmente por essas substâncias podem aumentar significativamente a taxa de absorção de metais por lasers infravermelhos, o que se tornou uma medida importante que deve ser tomada durante o tratamento térmico de superfícies a laser.
No entanto, para soldagem a laserNo entanto, o aumento do fósforo, do oxigênio e do carbono é muito prejudicial. Eles podem reduzir a plasticidade e a resistência do costura de soldae seu uso deve ser cuidadosamente considerado.
Quando o laser incidente não é perpendicular à superfície do material, a taxa de reflexão e a taxa de absorção estão relacionadas ao estado de polarização do laser incidente. Essa questão foi discutida na seção 1.1.1.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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