Eri materiaalien absorboitumisasteiden erotusten analyysi laserin aallonpituuksilla

Laserin käsittelyssä riippuu siitä, kuinka tehokkaasti laserenergia vaikuttaa materiaaliin, materiaalin kyky absorboida tiettyä laser-aallonpituutta. Erilaisilla materiaaleilla on merkittäviä eroja absorptioprosenteissa eri aallonpituuksilla, ja nämä erot vaikuttavat suoraan laserleikkauksen, hitsauksen, merkinnän ja puhdistuksen tehokkuuteen, stabiilisuuteen ja käsittelyn laatuun. Materiaalien ja aallonpituuden absorptio-ominaisuuksien ymmärtäminen on perusta laserprosessin valinnalle ja parametrien optimoinnille.

I. Perussuhde laserin aallonpituuden ja absorptioprosentin välillä

Laserin absorptioprosentti tarkoittaa siihen osuvan laserenergian määrää, jonka materiaalipinta absorboi. Siihen vaikuttavat seuraavat tekijät:

Lasersäteen aallonpituus

Materiaalin elektroninen rakenne ja hilloominaisuudet

Pinnan kunto (karheus, happekerros, päällysteet)

Säteen tulokulma ja polarisaatiotila

Useimmissa tapauksissa materiaalin absorptiokerroin ei ole kiinteä arvo, vaan se vaihtelee merkittävästi aallonpituuden mukaan. Siten samalla materiaalilla voi olla huomattavan erilaisia käsittelytuloksia erilaisten laserien (kuten CO₂-, kuitu-, vihreän tai ultraviolettivalon lasereiden) vaikuttaessa.

II. Erilaisten laserin aallonpituksien absorptio-ominaisuudet metallimateriaaleille
1. Rautapitoiset metallit (hiiliteräs, ruostumaton teräs)

Rautapitoiset metallit osoittavat suhteellisen stabiilia absorptiota lähialueen infrapuna-alueella (noin 1,06 μm):

Korkea absorptio 1064 nm:n kuitulaserille

Hyvä energiakytkentä 10,6 μm:n CO₂-lasereihin

Absorptio lisääntyy entisestään pintakerroksen hapettumisen tai karheutumisen jälkeen

Tämän vuoksi kuitu- ja CO₂-lasereita käytetään laajalti teräsmateriaalien leikkaamiseen ja hitsaamiseen.

2. Vahvasti heijastavat metallit (alumiini, kupari, kulta, hopea)

Vahvasti heijastavilla metalleilla on alhainen absorptio infrapuna-alueella:

Alhainen alussa oleva absorptio 1064 nm laserien kohdalla, jolloin heijastus on voimakas

Huomattavasti korkeampi absorptio lyhyemmillä aallonpituuksilla (vihreä 532 nm, sininen 450 nm)

Absorptio kasvaa dynaamisesti lämpötilan noustessa

Tämä on pääasiallinen syy, miksi vihreät ja siniset lasereiden käyttö kuparinhitsauksessa ja tarkkamuovauksessa on nopeasti yleistynyt viime vuosina.

III. Aallonpituuden absorptio-ominaisuudet ei-metallimateriaaleissa
1. Muovit ja polymeerimateriaalit

Muovien absorptio-ominaisuudet liittyvät tiiviisti niiden molekyylirakenteeseen:

Useimmat muovit ovat läpinäkyviä tai heikosti absorboivia lähialueen infrapuna-alueella

Vahva absorptio keski- ja pitkäaaltoisella infrapuna-alueella (10,6 μm)

Absorptio-ominaisuuksia voidaan merkittävästi muuttaa lisäämällä väripigmenttejä tai absorboivia aineita

Siksi CO₂-lasereita käytetään laajalti muovien leikkaamiseen, merkitsemiseen ja ohutkalvojen käsittelyyn.

2. Puu, paperi ja orgaaniset materiaalit

Orgaanisilla materiaaleilla on yleensä korkea absorptio infrapunalasereille:

Korkea absorptiotehokkuus CO₂-lasereille

Altis lämpöhajoamiselle, hiiltymiselle ja höyrystymiselle

Suhteellisen suuret lämpövaikutusvyöhykkeet käsittelyn aikana

Nämä materiaalit soveltuvat alhaisen tehon jatkuvaan tai pulssimuotoiseen infrapunalaserikäsittelyyn.

IV. Keraamiset, lasi- ja läpinäkyvät materiaalit

Läpinäkyvillä tai puoliläpinäkyvillä materiaaleilla on vahva aallonpituusriippuvuus absorptiossa:

Alhainen absorptio ja korkea läpäisevyys infrapuna- ja näkyvissä valoalueissa

Huomattavasti suurempi absorptio ultraviolettialueella

Lyhyeaaltoiset laserit aiheuttavat helpommin monifotonin absorptiota

Tämän seurauksena ultraviolettalaserilla on selvät edut lasin porauksessa ja tarkkakäsittelyssä keraamisten materiaalien kohdalla.

V. Materiaalin pinnan vaikutus absorptiotasoon

Materiaalin sisäisten ominaisuuksien lisäksi pintaehto vaikuttaa myös absorptiotehokkuuteen:

Karkeat pinnat absorboivat laserenergian helpommin kuin peilikaltaiset pinnat

Oxidikerrokset ja pinnoitteet voivat vähentää heijastusta

Pintasaasteet voivat lisätä alustavaa absorptiota tietyissä prosesseissa

Er highly heijastavien materiaalien käsittelyssä pinnan esikäsittelyä käytetään usein parantamaan laserenergian kytkentää.

VI. Absorptioerojen vaikutus laserprosessointiin

Erilaisten materiaalien absorptiokykyjen erot eri aallonpituuksien laserilla vaikuttavat suoraan:

Laserlajin valintaan

Tehon ja energiatiheyden asetuksiin

Käsittelyn nopeuteen ja stabiiliuteen

Lämpöaltistuksen alueen kokoon ja muotoutumislaatuun

Soveltuvan laserin aallonpituuden ja materiaalin oikealla yhdistämisellä voidaan vähentää energiankulutusta parantaen käsittelyn laatua ja laitteiston turvallisuutta.

Erilaisten materiaalien absorptiokyvyt vaihtelevat merkittävästi eri aallonpituuksien laserilla. Nämä erot määräytyvät materiaalin elektronisesta rakenteesta, molekyylin värähtelyominaisuuksista ja pinnan tilasta. Laserkäsittelysovelluksissa on avain korkeaan tehokkuuteen ja laatuun valita laserin aallonpituus, joka vastaa materiaalin absorptio-ominaisuuksia. Lyhyen aallonpituuden laseriteknologioiden kehittyessä heijastavien ja läpinäkyvien materiaalien käsittelykyky parantuu jatkuvasti.