Méthodes de contrôle de la zone affectée par la chaleur pour les machines de marquage laser

Une machine de marquage laser est un dispositif qui utilise un faisceau laser à haute densité d'énergie pour créer des marques permanentes sur la surface des matériaux. Pendant le processus de marquage, le laser génère de la chaleur sur la surface du matériau et sa zone environnante, formant une zone affectée par la chaleur (HAZ). La HAZ peut provoquer une décoloration, une brûlure ou une contrainte localisée, ce qui nuit à la qualité du marquage. Cet article analyse la HAZ selon trois aspects : le mécanisme de formation, les facteurs influents et les méthodes de contrôle.

1. Mécanisme de formation de la zone affectée par la chaleur

Lors du marquage laser, le faisceau laser est focalisé sur la surface de la pièce à usiner par un système de focalisation. Le matériau absorbe l'énergie laser, s'échauffe rapidement et subit une vaporisation ou une fusion localisée. La zone environnante qui n'est pas complètement vaporisée voit sa température augmenter par conduction thermique, formant ainsi la zone affectée thermiquement. Les caractéristiques principales de cette zone incluent :

Dépendance à la taille du spot : des spots laser plus grands répartissent la chaleur sur une zone plus étendue, ce qui entraîne une zone affectée thermiquement plus grande.

Conductivité thermique du matériau : les métaux ayant une conductivité thermique élevée dispersent rapidement la chaleur, ce qui donne lieu à une zone affectée thermiquement plus grande, tandis que les matériaux à faible conductivité thermique confinent la chaleur, produisant une zone affectée thermiquement plus petite.

Énergie et durée des impulsions : des impulsions de haute puissance, longues, ou en mode continu ont tendance à augmenter la diffusion thermique.

2. Facteurs influençant la taille de la zone affectée thermiquement

Puissance du laser
Une puissance plus élevée entraîne une absorption d'énergie plus importante, une montée en température plus rapide de la surface et une diffusion thermique plus étendue, agrandissant ainsi la zone affectée thermiquement.

Largeur d'impulsion et fréquence de répétition
Les lasers à impulsions courtes concentrent l'énergie, en confinant la chaleur au point focal et en minimisant la zone affectée par la chaleur (HAZ). Les impulsions longues ou les fréquences élevées peuvent accumuler de la chaleur, ce qui augmente la HAZ.

Dimension du spot et position de focalisation
Les petits spots précisément focalisés concentrent la chaleur, produisant des marques nettes. Les grands spots ou un mauvais alignement de focalisation dispersent la chaleur et agrandissent la zone affectée par la chaleur (HAZ).

Vitesse de balayage
Un balayage lent fait rester le laser plus longtemps sur la même zone, augmentant ainsi l'accumulation de chaleur. Un balayage plus rapide réduit l'élévation locale de température et diminue la zone affectée par la chaleur (HAZ).

Propriétés des matériaux
La conductivité thermique, le taux d'absorption et le point de fusion du matériau influencent directement la diffusion de la chaleur. Par exemple, l'aluminium et le cuivre ont une conductivité thermique élevée et présentent une grande zone affectée par la chaleur (HAZ), tandis que les plastiques et les céramiques ont une HAZ plus petite.

3. Méthodes pour contrôler la zone affectée par la chaleur

Optimiser la puissance du laser et les paramètres d'impulsion
Ajustez la puissance, la durée de l'impulsion et la fréquence de répétition en fonction des propriétés du matériau afin de concentrer l'énergie au point focal sans diffusion excessive. Des impulsions courtes avec une puissance crête élevée réduisent efficacement la zone affectée thermiquement (HAZ).

Ajustez le système de focalisation
Sélectionnez une lentille de longueur focale appropriée et assurez-vous que le point focal est précisément situé sur la surface du matériau afin d'éviter la dispersion thermique. Des tailles de spot plus petites réduisent la zone affectée thermiquement (HAZ).

Augmentez la vitesse de balayage
Augmentez la vitesse des scanners galvanométriques ou des axes XY pour réduire le temps de séjour du laser, minimisant ainsi l'accumulation locale de chaleur.

Marquage par passes successives ou multiples
Pour les matériaux foncés ou épais, utilisez plusieurs passes à faible énergie afin d'accumuler progressivement la chaleur sans créer une zone affectée thermiquement excessive.

Refroidissement auxiliaire
Utilisez un soufflage d'air ou un refroidissement à l'eau pendant le marquage pour évacuer la chaleur en surface et contrôler la diffusion thermique.

Sélectionnez une longueur d'onde laser appropriée
Les matériaux absorbent différemment les différentes longueurs d'onde. Le choix d'une longueur d'onde appropriée améliore l'efficacité du marquage et réduit la diffusion thermique, permettant ainsi de contrôler la zone affectée par la chaleur.

La zone affectée par la chaleur est un phénomène inévitable dans le marquage laser. Toutefois, en optimisant la puissance laser, les paramètres d'impulsion, le système de focalisation, la vitesse de balayage et en appliquant des mesures de refroidissement, il est possible de maîtriser efficacement la taille de cette zone, garantissant ainsi la qualité du marquage. Le contrôle de la zone affectée par la chaleur améliore non seulement la clarté et la précision du marquage, mais réduit également la déformation du matériau et les dommages de surface, ce qui en fait une technologie clé pour le marquage laser haute précision.