Methoden zur Kontrolle der wärmeeinflussten Zone bei Laserbeschriftungsmaschinen

Eine Laserbeschriftungsmaschine ist ein Gerät, das einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte verwendet, um dauerhafte Markierungen auf der Oberfläche von Materialien zu erzeugen. Während des Markierungsprozesses erzeugt der Laser Wärme auf der Materialoberfläche und in deren Umgebung, wodurch eine wärmeeinflusste Zone (HAZ) entsteht. Die wärmeeinflusste Zone kann Verfärbungen, Verbrennungen oder lokal begrenzte Spannungen verursachen, die die Markierungsqualität beeinträchtigen. Dieser Artikel analysiert die wärmeeinflusste Zone hinsichtlich dreier Aspekte: Entstehungsmechanismus, Einflussfaktoren und Kontrollmethoden.

1. Entstehungsmechanismus der wärmeeinflussten Zone

Beim Lasern wird der Laserstrahl über ein Fokussiersystem auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. Das Material absorbiert die Laserenergie, erhitzt sich schnell und unterliegt einer lokalen Verdampfung oder Schmelzung. Der umgebende Bereich, der nicht vollständig verdampft wird, erfährt durch Wärmeleitung eine Temperaturerhöhung, wodurch die wärmeeinflusste Zone entsteht. Zu den wichtigsten Merkmalen der wärmeeinflussten Zone gehören:

Abhängigkeit von der Spotgröße: Größere Laserflecke verteilen die Wärme auf einem größeren Bereich, was zu einer größeren wärmeeinflussten Zone führt.

Wärmeleitfähigkeit des Materials: Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit leiten Wärme schnell ab, was zu einer größeren wärmeeinflussten Zone führt, während Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit die Wärme lokal begrenzen und somit eine kleinere wärmeeinflusste Zone erzeugen.

Impulsenergie und -dauer: Hohe Leistung, lange Impulse oder Dauerstrichbetrieb neigen dazu, die Wärmediffusion zu erhöhen.

2. Faktoren, die die Größe der wärmeeinflussten Zone beeinflussen

Laserleistung
Eine höhere Leistung führt zu stärkerer Energieabsorption, schnellerem Anstieg der Oberflächentemperatur und breiterer Wärmediffusion, wodurch die wärmeeinflusste Zone vergrößert wird.

Pulsbreite und Wiederholrate
Kurzpulslaser konzentrieren Energie, indem sie die Wärme auf den Fokuspunkt begrenzen und die wärmeeinwirkungsbeeinflusste Zone (HAZ) minimieren. Lange Pulse oder hohe Wiederholraten können Wärme ansammeln und die HAZ vergrößern.

Spotgröße und Fokusposition
Kleine, präzise fokussierte Spots konzentrieren die Wärme und erzeugen klare Markierungen. Große Spots oder eine fehlerhafte Fokusausrichung verteilen die Wärme und vergrößern die HAZ.

Scannergeschwindigkeit
Langsames Scannen führt dazu, dass der Laser länger im selben Bereich verweilt, was die Wärmespeicherung erhöht. Schnelleres Scannen verringert den lokalen Temperaturanstieg und verkleinert die HAZ.

Materialien Eigenschaften
Wärmeleitfähigkeit, Absorptionsrate und Schmelzpunkt des Materials beeinflussen direkt die Wärmediffusion. Zum Beispiel weisen Aluminium und Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine große HAZ auf, während Kunststoffe und Keramiken eine kleinere HAZ haben.

3. Methoden zur Kontrolle der wärmeeinwirkungsbeeinflussten Zone

Laserleistung und Pulsparameter optimieren
Passen Sie Leistung, Pulsbreite und Wiederholungsrate gemäß den Materialeigenschaften an, um die Energie im Fokuspunkt zu bündeln, ohne eine übermäßige Diffusion zu verursachen. Kurze Pulse mit hoher Spitzenleistung reduzieren effektiv die Wärmeeinflusszone (HAZ).

Justieren Sie das Fokussiersystem
Wählen Sie eine geeignete Linse mit passender Brennweite und stellen Sie sicher, dass der Fokus genau auf der Materialoberfläche liegt, um eine Wärmeableitung zu verhindern. Kleinere Spotgrößen verringern die Wärmeeinflusszone (HAZ).

Erhöhen Sie die Scangeschwindigkeit
Erhöhen Sie die Geschwindigkeit der Galvanometerscanner oder XY-Stufen, um die Laser-Belichtungszeit zu verkürzen und lokale Wärmespeicherung zu minimieren.

Mehrfachmarkierung in Schritten oder Durchgängen
Verwenden Sie bei dunklen oder dicken Materialien mehrere Durchgänge mit niedriger Energie, um die Wärme schrittweise anzusammeln, ohne eine übermäßige Wärmeeinflusszone (HAZ) zu erzeugen.

Zusatzkühlung
Verwenden Sie während der Markierung Luftblasen oder Wasserkühlung, um Oberflächenwärme abzuleiten und die Wärmediffusion zu kontrollieren.

Wählen Sie eine geeignete Laserwellenlänge
Materialien absorbieren verschiedene Wellenlängen unterschiedlich. Die Wahl einer geeigneten Wellenlänge verbessert die Markierungsleistung und verringert die Wärmeausbreitung, wodurch die Wärmeeinflusszone (HAZ) kontrolliert werden kann.

Die wärmeeinflusste Zone ist ein unvermeidbares Phänomen beim Lasermarkieren. Durch die Optimierung von Laserleistung, Impulsparametern, Fokussiersystem, Scanngeschwindigkeit sowie durch Anwendung von Kühlmaßnahmen kann die Größe der HAZ jedoch effektiv kontrolliert werden, um die Markierungsqualität sicherzustellen. Die Kontrolle der HAZ verbessert nicht nur die Klarheit und Präzision der Markierung, sondern reduziert auch Materialverformungen und Oberflächenschäden und stellt somit eine Schlüsseltechnologie für hochpräzise Lasermarkierungen dar.