روش‌های کنترل منطقه تحت تأثیر حرارت در دستگاه‌های علامت‌گذاری لیزری

دستگاه علامت‌گذاری لیزری وسیله‌ای است که از پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا برای ایجاد علائم دائمی روی سطح مواد استفاده می‌کند. در حین فرآیند علامت‌گذاری، لیزر حرارت را روی سطح ماده و منطقه اطراف آن تولید می‌کند و ناحیه تحت تأثیر حرارت (HAZ) را تشکیل می‌دهد. ناحیه تحت تأثیر حرارت ممکن است باعث تغییر رنگ، سوختگی یا تنش محلی شود و کیفیت علامت‌گذاری را تحت تأثیر قرار دهد. این مقاله به تحلیل ناحیه تحت تأثیر حرارت از سه جنبه: مکانیسم تشکیل، عوامل مؤثر و روش‌های کنترل می‌پردازد.

1. مکانیسم تشکیل ناحیه تحت تأثیر حرارت

در حین علامت‌گذاری با لیزر، پرتو لیزر از طریق یک سیستم فوکوس روی سطح قطعه کار متمرکز می‌شود. مواد انرژی لیزر را جذب کرده، به سرعت گرم شده و دچار تبخیر یا ذوب محلی می‌شوند. ناحیه اطراف که به طور کامل تبخیر نشده است، به دلیل هدایت حرارتی دما افزایش می‌یابد و منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) را تشکیل می‌دهد. مشخصات کلیدی HAZ شامل موارد زیر است:

وابستگی به اندازه لکه: لکه‌های لیزری بزرگتر گرما را در سطح وسیع‌تری پخش می‌کنند و در نتیجه HAZ بزرگ‌تری ایجاد می‌کنند.

هدایت حرارتی ماده: فلزات با هدایت حرارتی بالا گرما را سریع‌تر پراکنده می‌کنند و منجر به HAZ بزرگ‌تری می‌شوند، در حالی که مواد با هدایت حرارتی پایین گرما را محدود می‌کنند و HAZ کوچک‌تری ایجاد می‌کنند.

انرژی و مدت ضربه: توان بالا، ضربه‌های طولانی یا حالت موج پیوسته تمایل به افزایش پخش حرارت دارند.

2. عوامل مؤثر بر اندازه ناحیه تحت تأثیر حرارت

توان لیزر
توان بالاتر منجر به جذب انرژی بیشتر، افزایش سریع‌تر دمای سطح و پخش گرمای گسترده‌تر می‌شود و HAZ را بزرگ‌تر می‌کند.

عرض پالس و نرخ تکرار
لیزرهای پالس کوتاه انرژی را متمرکز کرده و حرارت را به نقطه فوکوس محدود می‌کنند و همچنین منطقه تحت تأثیر حرارتی (HAZ) را به حداقل می‌رسانند. پالس‌های طولانی یا نرخ تکرار بالا می‌توانند حرارت را جمع‌آوری کنند و HAZ را افزایش دهند.

اندازه لکه و موقعیت فوکوس
لکه‌های کوچک و دقیقاً فوکوس‌شده حرارت را متمرکز کرده و علامت‌های شفافی تولید می‌کنند. لکه‌های بزرگ یا عدم ترازی در فوکوس، حرارت را پراکنده کرده و HAZ را بزرگ می‌کنند.

سرعت اسکن
پویش آهسته باعث می‌شود لیزر مدت زمان بیشتری روی یک ناحیه بماند و افزایش تجمع حرارت صورت گیرد. پویش سریع‌تر افزایش دمای محلی را کاهش داده و HAZ را کوچک می‌کند.

خواص مواد
هدایت حرارتی، نرخ جذب و نقطه ذوب ماده به طور مستقیم بر پخش حرارت تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، آلومینیوم و مس هدایت حرارتی بالایی دارند و HAZ بزرگی ایجاد می‌کنند، در حالی که پلاستیک‌ها و سرامیک‌ها HAZ کوچک‌تری دارند.

3. روش‌های کنترل منطقه تحت تأثیر حرارتی

بهینه‌سازی توان لیزر و پارامترهای پالس
توان، عرض پالس و نرخ تکرار را بر اساس خواص ماده تنظیم کنید تا انرژی در نقطه کانونی متمرکز شود و از پراکندگی بیش از حد جلوگیری شود. پالس‌های کوتاه با توان پیک بالا به‌طور مؤثر منطقه تحت تأثیر حرارتی (HAZ) را کاهش می‌دهند.

تنظیم سیستم فوکوس
لنزی با طول کانونی مناسب انتخاب کنید و اطمینان حاصل کنید که نقطه کانونی دقیقاً روی سطح ماده قرار دارد تا از پراکندگی حرارتی جلوگیری شود. اندازه لکه‌های کوچک‌تر منجر به کاهش HAZ می‌شوند.

افزایش سرعت اسکن
سرعت اسکنرهای گالوانومتری یا مراحل XY را افزایش دهید تا زمان توقف لیزر کاهش یابد و تجمع حرارت محلی به حداقل برسد.

علامت‌گذاری چندمرحله‌ای یا چندباره
برای مواد تیره یا ضخیم، از چندین عبور با انرژی پایین استفاده کنید تا به‌صورت تدریجی حرارت انباشته شود و از ایجاد HAZ بیش از حد جلوگیری شود.

خنک‌کنندگی کمکی
در حین علامت‌گذاری از دمش هوا یا خنک‌کنندگی آبی استفاده کنید تا حرارت سطحی دفع شده و پخش حرارت کنترل شود.

طول موج لیزر مناسب را انتخاب کنید
مواد به‌صورت متفاوتی طول‌موج‌های مختلف را جذب می‌کنند. انتخاب طول‌موج مناسب، کارایی علامت‌گذاری را افزایش داده و پخش حرارت را کاهش می‌دهد و بدین ترتیب منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) را کنترل می‌کند.

منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) یک پدیده اجتناب‌ناپذیر در علامت‌گذاری لیزری است. با این حال، با بهینه‌سازی توان لیزر، پارامترهای پالس، سیستم فوکوس، سرعت اسکن و اعمال اقدامات خنک‌کنندگی، می‌توان اندازه HAZ را به‌طور مؤثر کنترل کرد و کیفیت علامت‌گذاری را تضمین نمود. کنترل HAZ نه تنها وضوح و دقت علامت‌گذاری را بهبود می‌بخشد، بلکه تغییر شکل ماده و آسیب سطحی را نیز کاهش می‌دهد و بنابراین یک فناوری کلیدی برای علامت‌گذاری دقیق لیزری محسوب می‌شود.