طرق التحكم في منطقة التأثير الحراري لآلات الوسم بالليزر

جهاز الوسم بالليزر هو جهاز يستخدم شعاع ليزر كثافته طاقة عالية لإنشاء علامات دائمة على سطح المواد. أثناء عملية الوسم، يولّد الليزر حرارة على سطح المادة ومنطقة محيطة بها، مما يكوّن منطقة التأثير الحراري (HAZ). قد تؤدي المنطقة المتأثرة حرارياً إلى تغير اللون أو الاحتراق أو إجهادات موضعية، ما يؤثر على جودة الوسم. يناقش هذا المقال منطقة التأثير الحراري من ثلاثة جوانب: آلية التكوين، العوامل المؤثرة، وطرق التحكم.

1. آلية تكوين منطقة التأثير الحراري

خلال الوسم بالليزر، يتم تركيز شعاع الليزر على سطح القطعة من خلال نظام بؤري. تمتص المادة طاقة الليزر وتسخن بسرعة، مما يؤدي إلى تبخر محلي أو انصهار. أما المنطقة المحيطة التي لا تتبخر بالكامل فترتفع درجة حرارتها بسبب التوصيل الحراري، مشكلةً بذلك المنطقة المتأثرة حرارياً (HAZ). وتشمل الخصائص الرئيسية للمنطقة المتأثرة حرارياً ما يلي:

الاعتماد على حجم البقعة: تقوم بقع الليزر الأكبر بتوزيع الحرارة على مساحة أوسع، مما يؤدي إلى زيادة حجم المنطقة المتأثرة حرارياً.

التوصيلية الحرارية للمادة: تُفقد المعادن ذات التوصيلية الحرارية العالية الحرارة بسرعة، مما يؤدي إلى زيادة حجم المنطقة المتأثرة حرارياً، في حين تحصر المواد ذات التوصيلية الحرارية المنخفضة الحرارة، مما يؤدي إلى تقلص حجم المنطقة المتأثرة حرارياً.

طاقة النبضة ومدتها: تؤدي النبضات عالية الطاقة أو ذات المدة الطويلة أو أوضاع الموجة المستمرة عادةً إلى زيادة انتشار الحرارة.

2. العوامل المؤثرة في حجم المنطقة المتأثرة حرارياً

قوة الليزر
تؤدي الطاقة الأعلى إلى امتصاص طاقة أكبر وارتفاع أسرع لدرجة حرارة السطح وانتشار أوسع للحرارة، ما يوسع حجم المنطقة المتأثرة حرارياً.

عرض النبضة ومعدل التكرار
تركز أشعة الليزر ذات النبضات القصيرة الطاقة، وتحصر الحرارة عند نقطة البؤرة وتقلل من منطقة التأثير الحراري (HAZ). يمكن أن تتسبب النبضات الطويلة أو معدلات التكرار العالية في تراكم الحرارة، ما يزيد من منطقة التأثير الحراري (HAZ).

حجم البقعة وموضع التركيز
تُركّز البقع الصغيرة والدقيقة حرارةً عاليةً، مما يُنتج علامات واضحة. أما البقع الكبيرة أو سوء ضبط البؤرة فيؤدي إلى تشتت الحرارة وزيادة منطقة التأثير الحراري (HAZ).

سرعة المسح
التقنية البطيئة تجعل الليزر يبقى لفترة أطول على نفس المنطقة، ما يزيد من تراكم الحرارة. بينما تقلل التقنية الأسرع من ارتفاع درجة الحرارة المحلية وتُصغّر منطقة التأثير الحراري (HAZ).

خصائص المواد
تؤثر التوصيلية الحرارية، ومعدل الامتصاص، ونقطة الانصهار للمادة بشكل مباشر على انتشار الحرارة. على سبيل المثال، فإن الألومنيوم والنحاس يتمتعان بتوصيلية حرارية عالية ومنطقة تأثير حراري كبيرة، في حين أن البلاستيك والسيراميك لهما منطقة تأثير حراري أصغر.

3. طرق التحكم في منطقة التأثير الحراري

تحسين قدرة الليزر ومعاملات النبضة
اضبط الطاقة وعرض النبضة ومعدل التكرار وفقًا لخصائص المادة للتركيز على الطاقة عند نقطة البؤرة دون انتشار مفرط. تقلل النبضات القصيرة ذات القدرة العالية الذروة من منطقة التأثير الحراري (HAZ) بشكل فعال.

اضبط نظام التركيز
اختر عدسة ذات بُعد بؤري مناسب وتأكد من أن نقطة البؤرة دقيقة على سطح المادة لمنع تشتت الحرارة. تقلل أحجام البقعة الأصغر من منطقة التأثير الحراري (HAZ).

زِدْ سرعة المسح
زِدْ سرعة مقاييس الغالڤانوميتر أو مراحل XY لتقليل زمن تواجد الليزر، مما يقلل من تراكم الحرارة الموضعية.

الوسم على مراحل أو بمرور متعدد
بالنسبة للمواد الداكنة أو السميكة، استخدم عدة مرور بطاقة منخفضة لتراكم الحرارة تدريجيًا دون إحداث منطقة تأثير حراري مفرطة (HAZ).

التبريد المساعد
استخدم نفخ الهواء أو التبريد بالماء أثناء الوسم لإزالة الحرارة السطحية والتحكم في انتشار الحرارة.

اختر طول موجة الليزر المناسب
تمتص المواد أطوال موجية مختلفة بشكل مختلف. إن اختيار الطول الموجي المناسب يحسّن كفاءة الوسم ويقلل من انتشار الحرارة، وبالتالي التحكم في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).

المنطقة المتأثرة بالحرارة هي ظاهرة لا يمكن تجنبها في وسم الليزر. ومع ذلك، من خلال تحسين قدرة الليزر وبارامترات النبض ونظام التركيز وسرعة المسح، وتطبيق تدابير التبريد، يمكن التحكم الفعّال بحجم المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، مما يضمن جودة الوسم. وإن التحكم في المنطقة المتأثرة بالحرارة لا يحسّن فقط وضوح ودقة الوسم، بل يقلل أيضًا من تشوه المادة والتلف السطحي، ما يجعله تقنية رئيسية في وسم الليزر عالي الدقة.