Анализ на разликите в скоростите на абсорбция на лазерни дължини на вълната от различни материали

При лазерната обработка това дали лазерната енергия може ефективно да въздейства върху материал зависи от способността на материала да абсорбира определена лазерна дължина на вълната. Различните материали показват значителни различия в скоростта на абсорбция при различни дължини на вълната, а тези различия директно влияят върху ефективността, стабилността и качеството на лазерното рязане, заваряване, маркиране и почистване. Разбирането на характеристиките на абсорбция между материал и дължина на вълната е основа за избора на лазерен процес и оптимизация на параметрите.

I. Основна връзка между дължината на лазерната вълна и степента на абсорбция

Степента на лазерна абсорбция се отнася до пропорцията на падащата лазерна енергия, абсорбирана от повърхността на материала. Тя се влияе от следните фактори:

Лазерна дължина на вълната

Електронна структура и решетъчни характеристики на материала

Състояние на повърхността (крупност, оксиден слой, покрития)

Ъгъл на падане и поляризационно състояние

В повечето случаи, скоростта на абсорбция на един материал не е фиксирана стойност, а варира значително според дължината на вълната. Поради това същият материал може да показва значително различни резултати при обработка с различни видове лазери (като CO₂, влакнести, зелени или ултравиолетови лазери).

II. Характеристики на абсорбция при различни дължини на вълна на лазера за метални материали
1. Черни метали (въглероден чъл, неръждаем чъл)

Черните метали проявяват относително стабилна абсорбция в близката инфрачервена област (около 1,06 μm):

Висока абсорбция за влакнеси лазери с дължина на вълната 1064 nm

Добра енергийна свързаност с CO₂ лазери при 10,6 μm

Още по-голяма абсорбция след оксидиране или грапавяване на повърхността

Поради това влакнесите и CO₂ лазери се използват широко за рязане и заваряване на стоманени материали.

2. Високорефлектирни метали (алюминий, месинг, злато, сребро)

Високорефлектирните метали имат ниска абсорбция в инфрачервена областта:

Ниско начално поглъщане за лазери с 1064 nm, със силно отразяване

Значително по-високо поглъщане при по-къси дължини на вълната (зелена 532 nm, синя 450 nm)

Поглъщането нараства динамично с повишаването на температурата

Това е основната причина зелените и сините лазери да бъдат бързо възприети при заварката на мед и прецизна обработка на алуминий през последните години.

III. Характеристики на поглъщане на дължината на вълната при неметални материали
1. Пластмаси и полимерни материали

Характеристиките на поглъщане на пластмасите са тясно свързани с тяхната молекулна структура:

Повечето пластмаси са прозрачни или слабо поглъщащи в близкия инфрачервен диапазон

Високо поглъщане в средния до далечния инфрачервен диапазон (10,6 μm)

Характеристиките на поглъщане могат значително да се променят чрез добавяне на пигменти или абсорбатори

Затова CO₂ лазерите се използват широко за рязане, маркиране и обработка на тънки филми при пластмаси.

2. Дърво, хартия и органични материали

Органичните материали обикновено показват висока абсорбция при инфрачервените лазери:

Висока ефективност на абсорбция за CO₂ лазери

Склонни към термично разлагане, овъгливане и изпарение

Относително големи зони с топлинно въздействие по време на обработката

Тези материали са подходящи за обработка с ниска мощност чрез непрекъснати или импулсни инфрачервени лазери.

IV. Керамика, стъкло и прозрачни материали

Прозрачните или полу-прозрачните материали показват силна зависимост на абсорбцията от дължината на вълната:

Ниска абсорбция и висока пропускливост в инфрачервената и видимата област

Значително увеличено поглъщане в ултравиолентовия диапазон

Лазери с къса вълнова дължина по-лесно предизвикват многократно поглъщане

В резултат ултравиолентовите лазери имат очевидни предимства при пробиване на стъкло и прецизна обработка на керамика.

V. Влияние на повърхността на материала върху скоростта на поглъщане

Освен вътринсичните свойства на материала, състоянието на повърхността също влияе върху ефективността на поглъщане:

Неравни повърхности по-лесно поглъщат лазерна енергия в сравнение с огледални повърхности

Оксидни слоеве и покрития могат да намалят отразяването

Повърхностни замърсявания могат да увеличат първоначалното поглъщане при определени процеси

При обработката на високорефлектиращи материали често се използва предварителна обработка на повърхността, за да се подобри свързването на лазерната енергия.

VI. Влияние на разликите в поглъщането върху лазерната обработка

Разликите в скоростта на абсорбация на материали при различни лазерни дължини на вълната директно повлияват:

Избора на тип лазер

Настройките за мощност и плътност на енергията

Скоростта на обработване и устойчивостта

Големината на зоната с топлинно въздействие и качеството на формоването

Чрез правилно съгласуване на материала с подходяща лазерна дължина на вълната е възможно намаляването на енергийното потребление, докато се подобрява качеството на обработване и безопасността на оборудването.

Съществуват значителни разлики в скоростта на абсорбация на различни материали при различни лазерни дължини на вълната. Тези разлики се определят от електронната структура на материала, характеристиките на молекулните вибрации и състоянието на повърхността. В приложенията за лазерна обработка, изборът на лазерна дължина на вълната, която съответства на абсорбационните характеристики на материала, е ключов фактор за постигане на висока ефективност и високо качество. С развитието на технологиите за късовълнови лазери, възможностите за обработване на високорефлектиращи и прозрачни материали продължават да се подобряват.