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 variáveis de reflexão, absorção e transmissão. Este artigo mergulha na ciência por detrás da absorção metal-laser, explorando factores como o comprimento de onda do laser, as propriedades do material, a temperatura e as condições da superfície. Os leitores ficarão a saber como estes elementos influenciam a transferência de energia durante o processamento a laser e obterão informações sobre a otimização da utilização do laser para uma maior eficiência e precisão.
A reflexão, absorção e 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 elevada densidade de electrões livres, que são forçados a vibrar pelo campo eletromagnético das ondas de luz, produzindo ondas electromagnéticas secundárias (sub-ondas).
A interferência entre estas sub-ondas e entre as sub-ondas e as ondas incidentes resulta em fortes ondas reflectidas e ondas transmitidas relativamente fracas, que são absorvidas por uma fina camada de superfície metálica. Por conseguinte, a superfície metálica tem frequentemente um rácio de reflexão elevado em relação ao laser. Especialmente para a luz infravermelha de baixa frequência, a sua energia de fotões é baixa, afectando principalmente os electrões livres no metal, reflectindo fortemente.
Para a luz visível de alta frequência e a luz ultravioleta com maior energia de fotões, podem afetar os electrões ligados no metal. A ação dos electrões ligados reduzirá a refletividade do metal, aumentará a sua transmissibilidade e aumentará a absorção do laser pelo metal.
Devido à elevada densidade de electrões livres, a onda transmitida é absorvida por uma camada superficial muito fina de metal. As medições da luz ultravioleta com um comprimento de onda de 0,25 μm à luz infravermelha com um comprimento de onda de 10,6 μm mostram que a profundidade de penetração da luz em vários metais é de apenas 0,01 ~ 0,1 μm.
Como explicado acima, a profundidade de penetração é igual ao recíproco do coeficiente de absorção linear, pelo que o coeficiente de absorção linear do metal para as ondas de luz é grande, entre 105~106 cm-1.
Depois de absorver o laser, o material converte a energia luminosa em energia térmica através da excitação da ressonância de partículas carregadas e de colisões entre partículas. Todo o processo é concluído num período de tempo muito curto. O tempo total de relaxamento da energia para os metais é tipicamente de 10-13s. Para os processamento a laserAcredita-se que a conversão do laser absorvido em energia térmica se efectua instantaneamente.
Nesse instante, o calor é confinado à área de irradiação do laser no 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 com uma série de factores, como o comprimento de onda do laser, as propriedades do material, a temperatura, o estado da superfície e as características de polarização.
De um modo geral, quanto maior for o comprimento de onda do laser, maior será o rácio de reflexão e menor será o rácio de absorção.
A Figura 1-2 mostra a relação entre a razão de reflexão R dos metais mais comuns à temperatura ambiente e o comprimento de onda. Na região do infravermelho, a razão 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 razão de absorção A diminui e a razão de reflexão R aumenta.
A razão 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 10,6μm 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 500nm e 700nm), e a taxa de absorção do laser infravermelho YAG de 1,06μm é significativamente maior do que a do laser de CO2 laser.
Tabela 1-1: Razões de absorção de vários metais em diferentes comprimentos de onda do laser a 20 ℃
| Materiais | Árgon Ião | 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 |
| Chumbo | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| Molibdénio | 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 |
| Lata | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| Titânio | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| Tungsténio | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| Zinco | - | - | 0.16 | 0.027 |
Como mostra a Figura 1-2, na região da luz visível e nas suas áreas adjacentes, diferentes metais apresentam variações complexas de reflectância. No entanto, na gama de infravermelhos, onde λ>2μm, a ordem de reflectância dos metais é: Prata > Cobre > Alumínio > Níquel > Aço Carbono, o que indica que quanto melhor for a condutividade do material, maior será a sua reflectância à radiação infravermelha.
Esta regra pode ser explicada pelo mecanismo de absorção do laser por estes metais: nesta banda de infravermelhos, a energia do fotão é baixa e só pode acoplar-se aos electrões livres do metal. Quanto menor for a resistividade do metal, maior será a densidade de electrões livres. A vibração forçada dos electrões livres produz ondas reflectidas mais fortes, resultando num rácio de reflexão mais elevado.
Os cálculos mostram que existe uma relação aproximada entre a razão de absorção e a resistividade do metal, como se segue:
Na fórmula:
A representa o rácio 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).
Esta relação foi confirmada por testes efectuados 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 razão de absorção a diferentes temperaturas, que é dada por
Como se pode ver na equação (1-15), a razão de absorção aumenta com o aumento da temperatura. Esta relação não é apenas aplicável 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℃. A Figura 1-3 mostra a mudança na razão 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 de baixo carbono não seja significativamente diferente em comparação com o alumínio e o cobre, sua resistividade a 20 ℃ é muito maior, tornando sua taxa de absorção não apenas maior em valor absoluto, mas também aumenta mais rapidamente com a temperatura. No entanto, no geral, as superfícies polidas da maioria dos sólidos materiais metálicos têm um rácio de absorção baixo para um laser de comprimento de onda de 10,6μm, nenhum excedendo o 11%.
Tabela 1-2: Resistividade ρ20 e coeficiente de temperatura de resistência 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-níquel | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | Aço de liga leve | 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 | Lata | 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 |
| Molibdénio | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | Zinco | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| Liga de nicrómio | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
A rugosidade da superfície metálica, o estado da película de óxido e a presença de revestimentos de superfície especiais podem afetar significativamente a taxa de absorção dos lasers de infravermelhos.
Os rácios de absorção na Tabela 1-1 foram medidos utilizando superfícies metálicas lisas no vácuo. No entanto, as superfícies metálicas reais aquecidas por laser, devido à oxidação e contaminação, têm rácios de absorção para lasers de infravermelhos muito maiores do que os valores apresentados na tabela. O impacto do estado da superfície no rácio de absorção da luz visível é relativamente pequeno.
O Quadro 1-3 mostra o efeito do estado da superfície do alumínio e das suas ligas no rácio de absorção de CO2 lasers.
Quadro 1-3: Impacto do estado da superfície do alumínio e das suas ligas no rácio de absorção de CO2 lasers[6](%).
| Materiais | Superfície original | Electropolimento | Jato de areia | Anodização |
| Alumínio puro | 7 | 5 | 20 | 22 |
| Liga de alumínio 5456 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
A película de óxido formada sobre o metal materiais a altas temperaturas aumenta significativamente o rácio de absorção. A Figura 1-4 mostra a relação entre a razão de absorção de um laser infravermelho de comprimento de onda de 10,6μm na superfície do aço inoxidável 304 oxidado no ar durante 1 minuto e a temperatura de oxidação; a Figura 1-5 mostra a relação entre a razão de absorção de uma superfície de molibdénio e o mesmo laser com a temperatura e o tempo de oxidação.
Uma vez que a espessura da película 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. O rácio de absorção dos materiais metálicos para um laser de CO2 aumenta significativamente com a temperatura, devido a dois factores: aumento da resistividade e oxidação da superfície a alta temperatura.
Os fosfatos, a zircónia, o óxido de titânio, a sílica, bem como o negro de fumo, a grafite, etc., são substâncias com elevadas taxas de absorção de CO2 lasers. Os revestimentos de superfície compostos principalmente por estas substâncias podem aumentar significativamente o rácio de absorção dos metais pelos lasers de infravermelhos, o que se tornou uma medida importante que deve ser tomada durante o tratamento térmico de superfícies a laser.
No entanto, para soldadura a laserO aumento do fósforo, do oxigénio e do carbono é muito prejudicial. Eles podem reduzir a plasticidade e a tenacidade do cordão de soldadurae a sua utilização deve ser cuidadosamente ponderada.
Quando o laser incidente não é perpendicular à superfície do material, o rácio de reflexão e o rácio de absorção estão relacionados com o estado de polarização do laser incidente. Esta questão foi discutida na secção 1.1.1.
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