Mécanisme d'absorption du laser par le métal La réflexion, l'absorption et la transmission de la lumière à la surface d'un matériau résultent essentiellement de l'interaction entre le champ électromagnétique des ondes lumineuses et les particules chargées du matériau. Les métaux ont une forte densité d'électrons libres, qui sont forcés de vibrer sous l'effet du champ électromagnétique des ondes [...]
La réflexion, l'absorption et la transmission de la lumière à la surface d'un matériau résultent essentiellement de l'interaction entre le champ électromagnétique des ondes lumineuses et les particules chargées du matériau. Les métaux ont une densité élevée d'électrons libres, qui sont forcés de vibrer sous l'effet du champ électromagnétique des ondes lumineuses, produisant ainsi des ondes électromagnétiques secondaires (sous-ondes).
L'interférence entre ces sous-ondes et entre les sous-ondes et les ondes incidentes produit des ondes réfléchies puissantes et des ondes transmises relativement faibles, qui sont absorbées par une fine couche de la surface métallique. Par conséquent, la surface métallique présente souvent un taux de réflexion élevé par rapport au laser. En particulier pour la lumière infrarouge à basse fréquence, l'énergie des photons est faible, affectant principalement les électrons libres dans le métal, ce qui entraîne une forte réflexion.
Pour la lumière visible à haute fréquence et la lumière ultraviolette avec une énergie photonique plus importante, elles peuvent affecter les électrons liés dans le métal. L'action des électrons liés réduira la réflectivité du métal, augmentera sa transmissibilité et renforcera l'absorption du laser par le métal.
En raison de la forte densité d'électrons libres, l'onde transmise est absorbée dans une très fine couche superficielle de métal. Des mesures allant de la lumière ultraviolette d'une longueur d'onde de 0,25μm à la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 10,6μm montrent que la profondeur de pénétration de la lumière dans divers métaux n'est que de 0,01~0,1μm.
Comme expliqué ci-dessus, la profondeur de pénétration est égale à l'inverse du coefficient d'absorption linéaire, de sorte que le coefficient d'absorption linéaire du métal aux ondes lumineuses est élevé, entre 105~106 cm-1.
Après avoir absorbé le laser, le matériau convertit l'énergie lumineuse en énergie thermique en excitant la résonance des particules chargées et les collisions entre les particules. L'ensemble du processus se déroule en un temps très court. Le temps global de relaxation de l'énergie pour les métaux est typiquement de 10-13s. Pour les traitement au laserOn pense que la conversion du laser absorbé en énergie thermique s'effectue instantanément.
À cet instant, la chaleur est confinée à la zone d'irradiation laser du matériau. La conduction thermique ultérieure transfère la chaleur des zones à haute température vers les zones à plus basse température.
Les absorption du laser par le métal est liée à une série de facteurs tels que la longueur d'onde du laser, les propriétés du matériau, la température, l'état de la surface et les caractéristiques de polarisation.
D'une manière générale, plus la longueur d'onde du laser est grande, plus le taux de réflexion est élevé et plus le taux d'absorption est faible.
La figure 1-2 montre la relation entre le rapport de réflexion R des métaux couramment utilisés à température ambiante et la longueur d'onde. Dans la région infrarouge, le rapport d'absorption A est approximativement proportionnel à (ρ/λ)1/2où ρ est la résistivité du matériau et λ la longueur d'onde. Lorsque la longueur d'onde augmente, le rapport d'absorption A diminue et le rapport de réflexion R augmente.
Le rapport d'absorption A de divers métaux à différentes longueurs d'onde du laser à 20℃ est indiqué dans le tableau 1-1.
Comme le montre le tableau 1-1, à température ambiante, le taux d'absorption du laser infrarouge d'une longueur d'onde de 10,6μm sur la surface métallique est presque inférieur d'un ordre de grandeur à celui de la lumière visible (les longueurs d'onde du laser dans le tableau sont 500nm et 700nm), et le taux d'absorption du laser infrarouge YAG de 1,06μm est significativement plus important que celui du laser à CO2 laser.
Tableau 1-1 : Rapports d'absorption de divers métaux à différentes longueurs d'onde du laser à 20℃
| Matériaux | Argon Ion | Rubis | YAG | LE CO2 |
| Longueur d'onde | 500nm | 700 nm | 1,06μm | 10,6μm |
| Aluminium | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| Cuivre | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| L'or | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| Iridium | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| Le fer | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Plomb | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Molybdène | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| Nickel | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
| Niobium | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
| Platine | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
| Nickel | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| Argent | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| Tantale | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Etain | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| Titane | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| Tungstène | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| Zinc | - | - | 0.16 | 0.027 |
Comme le montre la figure 1-2, dans la région de la lumière visible et ses zones adjacentes, différents métaux présentent des variations de réflectance complexes. Toutefois, dans la gamme infrarouge où λ>2μm, l'ordre de réflectance des métaux est le suivant : Argent > Cuivre > Aluminium > Nickel > Acier au carbone, ce qui indique que plus la conductivité du matériau est bonne, plus sa réflectance au rayonnement infrarouge est élevée.
Cette règle s'explique par le mécanisme d'absorption du laser par ces métaux : dans cette bande infrarouge, l'énergie du photon est faible et ne peut se coupler qu'avec les électrons libres du métal. Plus la résistivité du métal est faible, plus la densité d'électrons libres est élevée. La vibration forcée des électrons libres produit des ondes réfléchies plus fortes, ce qui se traduit par un taux de réflectance plus élevé.
Les calculs montrent qu'il existe une relation approximative entre le taux d'absorption et la résistivité du métal comme suit :
Dans la formule :
A représente le rapport d'absorption du métal par rapport au laser ;
ρ est la résistivité du matériau métallique au moment de la mesure (Ω-cm) ;
λ est la longueur d'onde du laser (cm).
Cette relation a été confirmée par des tests sur différentes surfaces métalliques polies.
La résistivité du métal augmente avec l'élévation de la température, ce qui montre que :
Dans l'équation :
ρ20 est la résistivité du matériau métallique à 20℃ (Ω-cm) ;
γ est le coefficient de température de la résistance (℃-1) ;
T est la température (℃).
En substituant l'équation (1-14) à l'équation (1-13), nous pouvons calculer le taux d'absorption à différentes températures, qui est donné par :
Comme le montre l'équation (1-15), le taux d'absorption augmente avec la température. Cette relation ne s'applique pas seulement aux métaux solides, mais aussi aux métaux liquides.
Le tableau 1-2 énumère la résistivité p20 et le coefficient de température de la résistance γ pour divers métaux à 20℃. La figure 1-3 montre la variation du rapport d'absorption de plusieurs métaux à un laser infrarouge de 10,6μm de longueur d'onde en fonction de la température, calculée selon l'équation (1-15).
Il est à noter que bien que le coefficient de température de la résistance de l'acier à faible teneur en carbone ne soit pas significativement différent de celui de l'aluminium et du cuivre, sa résistivité à 20℃ est beaucoup plus importante, ce qui fait que son rapport d'absorption est non seulement plus grand en valeur absolue, mais augmente aussi plus rapidement avec la température. Cependant, dans l'ensemble, les surfaces polies de la plupart des matériaux solides en acier à faible teneur en carbone sont plus résistantes que celles en aluminium. matériaux métalliques ont un faible rapport d'absorption par rapport à un laser de 10,6μm de longueur d'onde, aucun ne dépassant 11%.
Tableau 1-2 : Résistivité ρ20 et coefficient de résistance à la température γ pour divers métaux à 20℃.
| Matériaux | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | Matériaux | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
| Aluminium | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | Nickel | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| Laiton | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | Platine | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| Bronze | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | Argent | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| Alliage cuivre-nickel | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Acier allié | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| Cuivre | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | Acier à faible teneur en carbone | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| L'or | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | Acier de construction | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | Tantale | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| Le fer | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Etain | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| Manganèse | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | Cadmium | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
| Molybdène | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Zinc | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Alliage de nichrome | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
La rugosité de la surface métallique, l'état du film d'oxyde et la présence de revêtements de surface spéciaux peuvent affecter de manière significative le taux d'absorption des lasers infrarouges.
Les rapports d'absorption du tableau 1-1 ont été mesurés sur des surfaces métalliques lisses dans le vide. Cependant, les surfaces métalliques réelles chauffées par laser, en raison de l'oxydation et de la contamination, présentent des rapports d'absorption des lasers infrarouges beaucoup plus importants que les valeurs indiquées dans le tableau. L'impact de l'état de la surface sur le rapport d'absorption de la lumière visible est relativement faible.
Le tableau 1-3 montre l'effet de l'état de surface de l'aluminium et de ses alliages sur le taux d'absorption du CO2 lasers.
Tableau 1-3 : Impact de l'état de surface de l'aluminium et de ses alliages sur le taux d'absorption du CO2 lasers[6](%).
| Matériaux | Surface originale | Électropolissage | Sablage | Anodisation |
| Aluminium pur | 7 | 5 | 20 | 22 |
| Alliage d'aluminium 5456 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
Le film d'oxyde formé sur le métal les matériaux à haute température augmente de manière significative le rapport d'absorption. La figure 1-4 montre la relation entre le rapport d'absorption d'un laser infrarouge de 10,6μm de longueur d'onde sur la surface d'un acier inoxydable 304 oxydé dans l'air pendant 1 minute et la température d'oxydation ; la figure 1-5 montre la relation entre le rapport d'absorption d'une surface de molybdène et le même laser avec la température et le temps d'oxydation.
L'épaisseur du film d'oxyde étant fonction de la température et du temps d'oxydation, le taux d'absorption du laser est également affecté par la température et le temps d'oxydation. Le taux d'absorption des matériaux métalliques par un laser CO2 augmente considérablement avec la température, en raison de deux facteurs : l'augmentation de la résistivité et l'oxydation de la surface à haute température.
Les phosphates, la zircone, l'oxyde de titane, la silice, ainsi que le noir de carbone, le graphite, etc. sont des substances qui présentent des taux d'absorption élevés du CO2 lasers. Les revêtements de surface principalement composés de ces substances peuvent augmenter de manière significative le taux d'absorption des métaux par les lasers infrarouges, ce qui est devenu une mesure importante à prendre lors du traitement thermique de surface au laser.
Toutefois, pour les soudage au laserL'augmentation du phosphore, de l'oxygène et du carbone est très nocive. Ils peuvent réduire la plasticité et la ténacité de l'acier. cordon de soudureet leur utilisation doit être soigneusement étudiée.
Lorsque le laser incident n'est pas perpendiculaire à la surface du matériau, le taux de réflexion et le taux d'absorption sont liés à l'état de polarisation du laser incident. Cette question a été examinée à la section 1.1.1.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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