¿Por qué es tan fascinante la interacción entre el metal y el láser? Es la interacción entre la luz y las partículas cargadas del metal, que da lugar a distintos niveles de reflexión, absorción y transmisión. Este artículo se adentra en la ciencia que hay detrás de la absorción metal-láser, explorando factores como la longitud de onda del láser, las propiedades del material, la temperatura y las condiciones de la superficie. Los lectores aprenderán cómo influyen estos elementos en la transferencia de energía durante el procesamiento láser y obtendrán información sobre cómo optimizar el uso del láser para mejorar la eficacia y la precisión.
La reflexión, absorción y transmisión de la luz en la superficie del material son esencialmente el resultado de la interacción entre el campo electromagnético de las ondas luminosas y las partículas cargadas del material. Los metales tienen una alta densidad de electrones libres, que se ven obligados a vibrar por el campo electromagnético de las ondas de luz, produciendo ondas electromagnéticas secundarias (subondas).
La interferencia entre estas subondas y entre las subondas y las ondas incidentes da lugar a fuertes ondas reflejadas y ondas transmitidas relativamente débiles, que son absorbidas por una fina capa de superficie metálica. Por lo tanto, la superficie metálica suele tener una elevada relación de reflexión respecto al láser. Especialmente para la luz infrarroja de baja frecuencia, su energía fotónica es baja, afectando principalmente a los electrones libres del metal, reflejándose fuertemente.
En el caso de la luz visible de mayor frecuencia y la luz ultravioleta con mayor energía fotónica, pueden afectar a los electrones ligados del metal. La acción de los electrones ligados reducirá la reflectividad del metal, aumentará su transmisibilidad y potenciará la absorción del láser por el metal.
Debido a la alta densidad de electrones libres, la onda transmitida se absorbe dentro de una capa superficial muy fina de metal. Las mediciones realizadas desde la luz ultravioleta con una longitud de onda de 0,25μm hasta la luz infrarroja con una longitud de onda de 10,6μm muestran que la profundidad de penetración de la luz en diversos metales es de solo 0,01~0,1μm.
Como se ha explicado anteriormente, la profundidad de penetración es igual al recíproco del coeficiente de absorción lineal, por lo que el coeficiente de absorción lineal del metal a las ondas luminosas es grande, entre 105~106 cm-1.
Tras absorber el láser, el material convierte la energía luminosa en energía térmica excitando la resonancia de las partículas cargadas y las colisiones entre partículas. Todo el proceso se completa en muy poco tiempo. El tiempo total de relajación energética de los metales suele ser de 10-13s. En general procesamiento láserse cree que la conversión del láser absorbido en energía térmica se completa instantáneamente.
En ese instante, el calor queda confinado en la zona de irradiación láser del material. La conducción térmica posterior transfiere el calor de las zonas de alta temperatura a las de temperatura más baja.
En absorción del láser por el metal está relacionada con una serie de factores como la longitud de onda del láser, las propiedades del material, la temperatura, el estado de la superficie y las características de polarización.
En general, cuanto mayor es la longitud de onda del láser, mayor es el coeficiente de reflexión y menor el de absorción.
La figura 1-2 muestra la relación entre la relación de reflexión R de los metales más utilizados a temperatura ambiente y la longitud de onda. En la región infrarroja, la relación de absorción A es aproximadamente proporcional a (ρ/λ)1/2donde ρ es la resistividad del material y λ es la longitud de onda. A medida que aumenta la longitud de onda, disminuye la relación de absorción A y aumenta la relación de reflexión R.
La relación de absorción A de varios metales a diferentes longitudes de onda láser a 20℃ se muestra en la Tabla 1-1.
Como puede verse en la Tabla 1-1, a temperatura ambiente, la relación de absorción del láser infrarrojo de 10,6μm de longitud de onda en la superficie metálica es casi un orden de magnitud menor que la de la luz visible (las longitudes de onda del láser en la tabla son 500nm y 700nm), y la relación de absorción del láser infrarrojo YAG de 1,06μm es significativamente mayor que la del láser de CO2 láser.
Tabla 1-1: Coeficientes de absorción de diversos metales con diferentes longitudes de onda láser a 20℃.
| Materiales | Ión Argón | Ruby | YAG | CO2 |
| Longitud de onda | 500 nm | 700 nm | 1,06μm | 10,6μm |
| Aluminio | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| Cobre | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| Oro | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| Iridium | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| Hierro | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Plomo | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Molibdeno | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| Níquel | 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 |
| Níquel | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| Plata | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| Tántalo | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Estaño | 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 |
| Zinc | - | - | 0.16 | 0.027 |
Como se muestra en la Figura 1-2, en la región de la luz visible y sus zonas adyacentes, diferentes metales presentan variaciones complejas de reflectancia. Sin embargo, en el rango infrarrojo donde λ>2μm, el orden de reflectancia para los metales es: Plata > Cobre > Aluminio > Níquel > Acero al carbono, lo que indica que cuanto mejor es la conductividad del material, mayor es su reflectancia a la radiación infrarroja.
Esta regla puede explicarse por el mecanismo de absorción del láser de estos metales: en esta banda infrarroja, la energía del fotón es baja y sólo puede acoplarse con los electrones libres del metal. Cuanto menor es la resistividad del metal, mayor es la densidad de electrones libres. La vibración forzada de los electrones libres produce ondas reflejadas más fuertes, lo que se traduce en una mayor relación de reflectancia.
Los cálculos muestran que existe una relación aproximada entre el coeficiente de absorción y la resistividad del metal de la siguiente manera:
En la fórmula:
A representa la relación de absorción del metal respecto al láser;
ρ es la resistividad del material metálico en el momento de la medición (Ω-cm);
λ es la longitud de onda del láser (cm).
Esta relación se ha confirmado mediante ensayos en diferentes superficies metálicas pulidas.
La resistividad del metal aumenta con el aumento de la temperatura, lo que demuestra que:
En la ecuación:
ρ20 es la resistividad del material metálico a 20℃ (Ω-cm);
γ es el coeficiente de temperatura de la resistencia (℃-1);
T es la temperatura (℃).
Sustituyendo la ecuación (1-14) en la ecuación (1-13), podemos calcular la relación de absorción a diferentes temperaturas, que viene dada por:
Como se desprende de la ecuación (1-15), la relación de absorción aumenta con el aumento de la temperatura. Esta relación no sólo es aplicable a los metales sólidos, sino que también es válida para los metales líquidos.
La Tabla 1-2 enumera la resistividad p20 y el coeficiente de temperatura de la resistencia γ para varios metales a 20℃. La Figura 1-3 muestra el cambio en el coeficiente de absorción de varios metales a un láser infrarrojo de 10,6μm de longitud de onda con la temperatura, calculado según la ecuación (1-15).
Se observa que, aunque el coeficiente de temperatura de la resistencia del acero bajo en carbono no es significativamente diferente en comparación con el aluminio y el cobre, su resistividad a 20℃ es mucho mayor, lo que hace que su coeficiente de absorción no sólo sea mayor en valor absoluto, sino que también aumente más rápidamente con la temperatura. Sin embargo, en general, las superficies pulidas de la mayoría de los sólidos materiales metálicos tienen una baja relación de absorción respecto a un láser de 10,6μm de longitud de onda, no superando ninguno al 11%.
Tabla 1-2: Resistividad ρ20 y Coeficiente de Temperatura de Resistencia γ para Varios Metales a 20℃.
| Materiales | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | Materiales | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
| Aluminio | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Níquel | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| Latón | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Platino | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| Bronce | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Plata | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| Aleación de cobre y níquel | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Acero aleado | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| Cobre | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Acero bajo en carbono | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| Oro | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Acero estructural | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Tántalo | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| Hierro | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Estaño | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| Manganeso | 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 | Zinc | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Aleación de nicromo | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
La rugosidad de la superficie metálica, el estado de la película de óxido y la presencia de revestimientos superficiales especiales pueden afectar significativamente al coeficiente de absorción de los láseres infrarrojos.
Los coeficientes de absorción de la Tabla 1-1 se midieron utilizando superficies metálicas lisas en el vacío. Sin embargo, las superficies metálicas reales calentadas por láser, debido a la oxidación y la contaminación, tienen relaciones de absorción para láseres infrarrojos mucho mayores que los valores de la tabla. El impacto del estado de la superficie en la relación de absorción de la luz visible es relativamente pequeño.
La tabla 1-3 muestra el efecto del estado de la superficie del aluminio y sus aleaciones sobre el coeficiente de absorción de CO2 láseres.
Tabla 1-3: Impacto del estado de la superficie del aluminio y sus aleaciones en el coeficiente de absorción de CO2 láseres[6](%).
| Materiales | Superficie original | Electropulido | Chorro de arena | Anodizado |
| Aluminio puro | 7 | 5 | 20 | 22 |
| Aleación de aluminio 5456 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
La película de óxido que se forma sobre el metal materiales a altas temperaturas aumenta significativamente la relación de absorción. La figura 1-4 muestra la relación entre la relación de absorción de un láser infrarrojo de 10,6μm de longitud de onda sobre la superficie de acero inoxidable 304 oxidado en aire durante 1 minuto y la temperatura de oxidación; la figura 1-5 muestra la relación entre la relación de absorción de una superficie de molibdeno y el mismo láser con la temperatura y el tiempo de oxidación.
Dado que el espesor de la película de óxido es función de la temperatura y el tiempo de oxidación, la relación de absorción del láser también se ve afectada por la temperatura y el tiempo de oxidación. La relación de absorción de los materiales metálicos a un láser de CO2 láser aumenta significativamente con la temperatura, debido a dos factores: el aumento de la resistividad y la oxidación superficial a alta temperatura.
Los fosfatos, la circonia, el óxido de titanio, la sílice, así como el negro de humo, el grafito, etc., son sustancias con elevados coeficientes de absorción de CO2 láseres. Los revestimientos superficiales compuestos principalmente por estas sustancias pueden aumentar significativamente el coeficiente de absorción de los metales a los láseres infrarrojos, lo que se ha convertido en una medida importante que debe tomarse durante el tratamiento térmico superficial con láser.
Sin embargo, para soldadura láserEl aumento de fósforo, oxígeno y carbono es muy perjudicial. Pueden reducir la plasticidad y la tenacidad del costura de soldaduray su uso debe considerarse cuidadosamente.
Una vez que el láser incidente no es perpendicular a la superficie del material, la relación de reflexión y la relación de absorción están relacionadas con el estado de polarización del láser incidente. Esta cuestión se ha tratado en la sección 1.1.1.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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