L’interaction entre le laser et les matériaux implique de nombreux phénomènes et caractéristiques physiques. Les trois prochains articles présenteront les trois phénomènes physiques clés liés au procédé de soudage laser afin de permettre aux collègues de mieux comprendre leprocédé de soudage au laser: divisé en taux d'absorption laser et changements d'état, plasma et effet trou de serrure. Cette fois, nous mettrons à jour la relation entre les changements d’état du laser et des matériaux et le taux d’absorption.
Modifications de l'état de la matière provoquées par l'interaction entre le laser et les matériaux
Le traitement laser des matériaux métalliques repose principalement sur le traitement thermique des effets photothermiques. Lorsqu’une irradiation laser est appliquée à la surface du matériau, divers changements se produiront dans la surface du matériau à différentes densités de puissance. Ces changements incluent l’augmentation de la température de surface, la fusion, la vaporisation, la formation de trous de serrure et la génération de plasma. De plus, les changements dans l’état physique de la surface du matériau affectent grandement l’absorption du laser par le matériau. Avec l’augmentation de la densité de puissance et du temps d’action, le matériau métallique subira les changements d’état suivants :
Quand lepuissance laserla densité est faible (<10 ^ 4w/cm ^ 2) et le temps d'irradiation est court, l'énergie laser absorbée par le métal ne peut que provoquer une élévation de la température du matériau de la surface vers l'intérieur, mais la phase solide reste inchangée . Il est principalement utilisé pour le recuit de pièces et le traitement de durcissement par transformation de phase, les outils, les engrenages et les roulements étant majoritaires ;
Avec l'augmentation de la densité de puissance laser (10 ^ 4-10 ^ 6w/cm ^ 2) et la prolongation du temps d'irradiation, la surface du matériau fond progressivement. À mesure que l’énergie d’entrée augmente, l’interface liquide-solide se déplace progressivement vers la partie profonde du matériau. Ce processus physique est principalement utilisé pour la refusion superficielle, l’alliage, le revêtement et le soudage par conductivité thermique des métaux.
En augmentant encore la densité de puissance (>10 ^ 6w/cm ^ 2) et en prolongeant le temps d'action du laser, la surface du matériau non seulement fond mais se vaporise également, et les substances vaporisées se rassemblent près de la surface du matériau et s'ionisent faiblement pour former un plasma. Ce plasma mince aide le matériau à absorber le laser ; Sous la pression de vaporisation et d’expansion, la surface du liquide se déforme et forme des piqûres. Cette étape peut être utilisée pour le soudage au laser, généralement pour le soudage par conductivité thermique d'épissage de microconnexions dans un rayon de 0,5 mm.
En augmentant encore la densité de puissance (>10 ^ 7w/cm ^ 2) et en prolongeant le temps d'irradiation, la surface du matériau subit une forte vaporisation, formant un plasma à haut degré d'ionisation. Ce plasma dense a un effet de protection sur le laser, réduisant considérablement la densité d'énergie du laser incident dans le matériau. Dans le même temps, sous une grande force de réaction de la vapeur, de petits trous, communément appelés trous de serrure, se forment à l'intérieur du métal fondu. L'existence de trous de serrure est bénéfique pour que le matériau absorbe le laser, et cette étape peut être utilisée pour la fusion profonde au laser. soudage, découpage et perçage, trempe par impact, etc.
Dans différentes conditions, différentes longueurs d'onde d'irradiation laser sur différents matériaux métalliques entraîneront des valeurs spécifiques de densité de puissance à chaque étape.
En termes d’absorption du laser par les matériaux, la vaporisation des matériaux constitue une frontière. Lorsque le matériau ne subit pas de vaporisation, que ce soit en phase solide ou liquide, son absorption du laser ne change que lentement avec l'augmentation de la température de surface ; Une fois que le matériau se vaporise et forme du plasma et des trous de serrure, l'absorption du laser par le matériau change soudainement.
Comme le montre la figure 2, le taux d'absorption du laser sur la surface du matériau pendant le soudage au laser varie en fonction de la densité de puissance laser et de la température de la surface du matériau. Lorsque le matériau n’est pas fondu, le taux d’absorption du matériau par le laser augmente lentement avec l’augmentation de la température de surface du matériau. Lorsque la densité de puissance est supérieure à (10 ^ 6w/cm ^ 2), le matériau se vaporise violemment, formant un trou de serrure. Le laser pénètre dans le trou de serrure pour de multiples réflexions et absorptions, ce qui entraîne une augmentation significative du taux d'absorption du matériau par le laser et une augmentation significative de la profondeur de fusion.
Absorption du laser par les matériaux métalliques – Longueur d’onde
La figure ci-dessus montre la courbe de relation entre la réflectivité, l'absorbance et la longueur d'onde des métaux couramment utilisés à température ambiante. Dans la région infrarouge, le taux d’absorption diminue et la réflectivité augmente avec l’augmentation de la longueur d’onde. La plupart des métaux réfléchissent fortement la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 10,6 um (CO2) tandis qu'ils réfléchissent faiblement la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 1,06 um (1 060 nm). Les matériaux métalliques ont des taux d’absorption plus élevés pour les lasers à courte longueur d’onde, comme la lumière bleue et verte.
Absorption du laser par les matériaux métalliques – Température des matériaux et densité d'énergie laser
En prenant l'alliage d'aluminium comme exemple, lorsque le matériau est solide, le taux d'absorption du laser est d'environ 5 à 7 %, le taux d'absorption des liquides peut atteindre 25 à 35 % et il peut atteindre plus de 90 % à l'état de trou de serrure.
Le taux d’absorption du matériau par le laser augmente avec l’augmentation de la température. Le taux d’absorption des matériaux métalliques à température ambiante est très faible. Lorsque la température s'approche du point de fusion, son taux d'absorption peut atteindre 40 % à 60 %. Si la température est proche du point d’ébullition, son taux d’absorption peut atteindre 90 %.
Absorption du laser par les matériaux métalliques – État de surface
Le taux d'absorption conventionnel est mesuré à l'aide d'une surface métallique lisse, mais dans les applications pratiques du chauffage laser, il est généralement nécessaire d'augmenter le taux d'absorption de certains matériaux à haute réflexion (aluminium, cuivre) pour éviter les fausses soudures causées par une réflexion élevée ;
Les méthodes suivantes peuvent être utilisées :
1. Adopter des processus de prétraitement de surface appropriés pour améliorer la réflectivité du laser : l'oxydation des prototypes, le sablage, le nettoyage au laser, le nickelage, l'étamage, le revêtement en graphite, etc. peuvent tous améliorer le taux d'absorption du matériau du laser ;
Le noyau consiste à augmenter la rugosité de la surface du matériau (ce qui est propice à de multiples réflexions et absorptions laser), ainsi qu'à augmenter le matériau de revêtement avec un taux d'absorption élevé. En absorbant l'énergie laser, en la fondant et en la volatilisant à travers des matériaux à taux d'absorption élevé, la chaleur laser est transmise au matériau de base pour améliorer le taux d'absorption du matériau et réduire le soudage virtuel provoqué par un phénomène de réflexion élevé.
Heure de publication : 23 novembre 2023
