Metody řízení tepelně ovlivněné zóny u laserových gravírovacích strojů

Laserový gravírovací stroj je zařízení, které využívá svazek laseru s vysokou hustotou energie k vytváření trvalých značek na povrchu materiálů. Během procesu gravírování generuje laser teplo na povrchu materiálu a jeho okolí, čímž vzniká tepelně ovlivněná zóna (HAZ). Přítomnost HAZ může způsobit změnu barvy, spálení nebo lokální pnutí, což negativně ovlivňuje kvalitu gravírování. Tento článek analyzuje HAZ z hlediska tří aspektů: mechanismus vzniku, vlivové faktory a metody řízení.

1. Mechanismus vzniku tepelně ovlivněné zóny

Při laserovém značení je laserový paprsek pomocí soustavy čoček soustředěn na povrch obrobku. Materiál pohlcuje laserovou energii, rychle se ohřívá a dochází k lokálnímu vypařování nebo tavení. Okolní oblast, která se plně nevypaří, se ohřívá v důsledku tepelné vodivosti a vytváří tak tepelně ovlivněnou zónu. Mezi klíčové vlastnosti této zóny patří:

Závislost na velikosti skvrny: Větší laserové skvrny rozprostírají teplo na větší plochu, což má za následek větší tepelně ovlivněnou zónu.

Tepelná vodivost materiálu: kovy s vysokou tepelnou vodivostí rychle šíří teplo, což má za následek větší tepelně ovlivněnou zónu, zatímco materiály s nízkou tepelnou vodivostí teplo uzavírají a vytvářejí tak menší tepelně ovlivněnou zónu.

Energie a délka pulzu: vysoký výkon, dlouhé pulzy nebo spojitý režim (CW) mají tendenci zvyšovat difuzi tepla.

2. Faktory ovlivňující velikost tepelně ovlivněné zóny

Výkon laseru
Vyšší výkon má za následek větší absorpci energie, rychlejší nárůst povrchové teploty a širší šíření tepla, čímž zvětšuje tepelně ovlivněnou zónu.

Šířka impulsu a frekvence opakování
Laserové zařízení s krátkými impulzy soustřeďuje energii, přičemž teplo zůstává v ohnisku a minimalizuje tak tepelně ovlivněnou zónu (HAZ). Dlouhé pulzy nebo vysoká frekvence opakování mohou vést ke kumulaci tepla, čímž se HAZ zvětšuje.

Velikost skvrny a poloha ohniska
Malé a přesně zaostřené skvrny soustředí teplo a vytvářejí ostré značky. Velké skvrny nebo nesprávné zaostření rozptylují teplo a zvětšují HAZ.

Skenovací rychlost
Pomalé skenování způsobuje, že laser déle setrvává na stejném místě, což zvyšuje akumulaci tepla. Rychlejší skenování snižuje lokální nárůst teploty a zužuje HAZ.

Vlastnosti materiálu
Tepelná vodivost, absorpční schopnost a teplota tavení materiálu přímo ovlivňují šíření tepla. Například hliník a měď mají vysokou tepelnou vodivost a velkou HAZ, zatímco plasty a keramika mají menší HAZ.

3. Metody ovládání tepelně ovlivněné zóny

Optimalizace výkonu laseru a parametrů pulzu
Nastavte výkon, délku pulzu a frekvenci opakování podle vlastností materiálu tak, aby se energie soustředila do ohniska bez nadměrné difuze. Krátké pulzy s vysokým špičkovým výkonem efektivně snižují tepelně ovlivněnou zónu (HAZ).

Nastavte soustavu zaostření
Vyberte objektiv s vhodnou ohniskovou vzdáleností a zajistěte přesné umístění ohniska na povrchu materiálu, aby nedošlo k rozptylu tepla. Menší velikost ohniskové skvrny snižuje tepelně ovlivněnou zónu (HAZ).

Zvyšte rychlost skenování
Zvyšte rychlost galvanometrických skenerů nebo XY stolů, čímž se sníží doba expozice laseru a minimalizuje se lokální hromadění tepla.

Víceprůchodové nebo postupné značení
U tmavých nebo tlustých materiálů použijte více průchodů s nízkou energií, při kterých se teplo postupně hromadí, aniž by vznikla nadměrná tepelně ovlivněná zóna (HAZ).

Pomocné chlazení
Během značení použijte foukání vzduchu nebo vodní chlazení, aby se odvedlo povrchové teplo a omezila se tepelná difuze.

Vyberte vhodnou vlnovou délku laseru
Různé materiály absorbují různé vlnové délky odlišně. Volba vhodné vlnové délky zlepšuje účinnost značení a snižuje tepelnou difuzi, čímž se ovlivňuje tepelně ovlivněná zóna.

Tepelně ovlivněná zóna je nevyhnutelným jevem při laserovém značení. Optimalizací výkonu laseru, parametrů pulzu, soustavy zaostření, rychlosti skenování a použitím chladicích opatření lze však velikost tepelně ovlivněné zóny efektivně kontrolovat, čímž se zajišťuje kvalita značení. Kontrola tepelně ovlivněné zóny nejen zlepšuje jasnost a přesnost značení, ale také snižuje deformaci materiálu a poškození povrchu, což ji činí klíčovou technologií pro vysoce přesné laserové značení.