Lasermerkintäkoneiden lämpövaikutuksen alueen hallintamenetelmät

Lasermerkintäkone on laite, joka käyttää korkean energiatiheyden laser­sädettä luodakseen pysyviä merkintöjä materiaalien pinnalle. Merkintäprosessin aikana laser tuottaa lämpöä materiaalin pinnalle ja sen ympäröivälle alueelle, muodostaen lämpövaikutuksen alueen (HAZ). Lämpövaikutuksen alue voi aiheuttaa värinmuutoksia, polttamista tai paikallista jännitettä, mikä heikentää merkinnän laatua. Tässä artikkelissa tarkastellaan lämpövaikutuksen aluetta kolmesta näkökulmasta: muodostumismekanismi, vaikuttavat tekijät ja hallintamenetelmät.

1. Lämpövaikutuksen alueen muodostumismekanismi

Lasermerkinnän aikana laserkeila keskitetään työkappaleen pintaan kohdistusjärjestelmän kautta. Materiaali absorboi laserenergian, lämpenee nopeasti ja sublimoituu tai sulaa paikallisesti. Ympäröivä alue, joka ei täysin höyrysty, lämpenee lämmönjohtumisen vuoksi ja muodostaa lämpövaikutuksen alueen. Lämpövaikutuksen alueen keskeisiä ominaispiirteitä ovat:

Ristiriippuvuus pistekoon suhteen: Suuremmat laserpisteet jakavat lämmön laajemmalle alueelle, mikä johtaa suurempaan lämpövaikutuksen alueeseen.

Materiaalin lämmönjohtavuus: Metallit, joilla on korkea lämmönjohtavuus, siirtävät lämpöä nopeasti, mikä johtaa suurempaan lämpövaikutuksen alueeseen, kun taas matalan lämmönjohtavuuden materiaalit rajoittavat lämmön leviämistä, mikä johtaa pienempään lämpövaikutuksen alueeseen.

Pulssin energia ja kesto: Korkea teho, pitkät pulssit tai jatkuvan säteen tila lisäävät yleensä lämmön diffuusiota.

2. Tekijät, jotka vaikuttavat lämpövaikutuksen alueen kokoon

Laserteho
Korkeampi teho johtaa suurempaan energian absorptioon, nopeampaan pintalämpötilan nousuun ja laajempaan lämmön leviämiseen, mikä suurentaa lämpövaikutuksen aluetta.

Pulssin leveys ja toistotaajuus
Lyhytpulssilaserit keskittävät energian, rajoittaen lämmön polttopisteeseen ja minimoimalla lämpövaikutuksen aluetta (HAZ). Pitkät pulssit tai korkea toistotaajuus voivat aiheuttaa lämmön kertymistä, mikä lisää HAZ-aluetta.

Tahnan koko ja fokusointiasento
Pienet ja tarkasti fokusoitut tahnat keskittävät lämmön tuottaen selkeitä merkintöjä. Suuret tahnat tai huonosti fokusoitunut säde hajottavat lämmön ja suurentavat HAZ-aluetta.

Skannausnopeus
Hidas skannaus saa aikaan sen, että laser viipyy pidempään samassa kohdassa, mikä lisää lämmön kertymistä. Nopeampi skannaus vähentää paikallista lämpötilannousua ja kutistaa HAZ-alueen.

Materiaalin ominaisuudet
Materiaalin lämmönjohtavuus, absorptioaste ja sulamispiste vaikuttavat suoraan lämmön leviämiseen. Esimerkiksi alumiini ja kupari ovat hyviä lämmönjohteita ja niillä on suuri HAZ-alue, kun taas muovit ja keraamit muodostavat pienemmän HAZ-alueen.

3. Menetelmät lämpövaikutuksen alueen hallintaan

Optimoi laserin teho ja pulssiparametrit
Säädä tehoa, pulssin leveyttä ja toistotaajuutta materiaalin ominaisuuksien mukaan keskittääksesi energian polttopisteeseen liiallisen hajautumisen sijaan. Lyhyet pulsseilla, joilla on korkea huipputeho, vähentävät tehokkaasti HAZia.

Säädä fokusointijärjestelmää
Valitse sopiva polttovälin linssi ja varmista, että polttopiste on tarkasti materiaalin pinnalla estääksesi lämmön leviämisen. Pienemmät pistekoot vähentävät HAZia.

Lisää skannausnopeutta
Lisää galvanometriskaannerien tai XY-vaiheiden nopeutta vähentääksesi laserin viipyminen aikaa ja minimitelläksesi paikallista lämpökerääntymistä.

Monivaiheinen merkintä tai useita ohituksia
Tummille tai paksuille materiaaleille käytä useita matalatehoisia ohituksia kertyttääksesi lämpöä asteittain ilman liiallista HAZin muodostumista.

Apukylmys
Käytä ilmapihdistystä tai vesikylmitystä merkinnän aikana poistaaksesi pintalämmön ja hallitaksesi lämmön leviämistä.

Valitse sopiva laserin aallonpituus
Materiaalit absorboivat eri aallonpituuksia eri tavoin. Oikean aallonpituuden valitseminen parantaa merkintätehokkuutta ja vähentää lämmön leviämistä, mikä puolestaan mahdollistaa HAZ:n hallinnan.

Lämmöstä vaikutettu vyöhyke on väistämätön ilmiö lasermerkinnässä. Kuitenkin laserin tehoa, pulsseja, fokusointijärjestelmää, skannausnopeutta ja jäähdytystoimenpiteitä optimoimalla HAZ:n kokoa voidaan tehokkaasti hallita, ja näin varmistetaan merkintälaatu. HAZ:n hallinta parantaa merkintäselkeyttä ja -tarkkuutta, vähentää materiaalin muodonmuutoksia ja pintavaurioita, ja se on näin ollen keskeinen tekniikka tarkassa lasermerkinnässä.