Analisi delle Differenze nei Tassi di Assorbimento delle Lunghezze d'Onda del Laser da Parte di Materiali Diversi

Nella lavorazione laser, se l'energia laser può agire efficacemente su un materiale dipende dalla capacità del materiale di assorbire una specifica lunghezza d'onda laser. Materiali diversi mostrano differenze significative nei tassi di assorbimento a diverse lunghezze d'onda, e queste differenze influiscono direttamente sull'efficienza, stabilità e qualità della lavorazione nel taglio, saldatura, marcatura e pulizia laser. Comprendere le caratteristiche di assorbimento tra materiale e lunghezza d'onda è la base per la selezione del processo laser e l'ottimizzazione dei parametri.

I. Relazione fondamentale tra lunghezza d'onda laser e tasso di assorbimento

Il tasso di assorbimento laser indica la proporzione di energia laser incidente assorbita dalla superficie di un materiale. È influenzato dai seguenti fattori:

Lunghezza d'onda del laser

Struttura elettronica e caratteristiche del reticolo del materiale

Stato della superficie (rugosità, strato di ossido, rivestimenti)

Angolo di incidenza e stato di polarizzazione

Nella maggior parte dei casi, il tasso di assorbimento di un materiale non è un valore fisso, ma varia notevolmente in funzione della lunghezza d'onda. Pertanto, lo stesso materiale può presentare risultati di lavorazione molto diversi quando esposto a diversi tipi di laser (ad esempio laser al CO₂, a fibra, verdi o ultravioletti).

II. Caratteristiche di assorbimento delle diverse lunghezze d'onda laser per i materiali metallici
1. Metalli ferrosi (acciaio al carbonio, acciaio inossidabile)

I metalli ferrosi mostrano un assorbimento relativamente stabile nella banda dell'infrarosso vicino (intorno a 1,06 μm):

Alto assorbimento per i laser a fibra a 1064 nm

Buon accoppiamento energetico con i laser al CO₂ a 10,6 μm

Assorbimento ulteriormente aumentato dopo ossidazione superficiale o rugosità

Di conseguenza, i laser a fibra e i laser al CO₂ sono ampiamente utilizzati per il taglio e la saldatura di materiali in acciaio.

2. Metalli altamente riflettenti (alluminio, rame, oro, argento)

I metalli altamente riflettenti hanno un basso assorbimento nella banda dell'infrarosso:

Bassa assorbenza iniziale per laser a 1064 nm, con forte riflessione

Assorbenza significativamente più elevata a lunghezze d'onda più corte (verde 532 nm, blu 450 nm)

L'assorbenza aumenta dinamicamente all'aumentare della temperatura

Questa è la principale ragione per cui i laser verdi e blu sono stati rapidamente adottati nella saldatura del rame e nella lavorazione precisa dell'alluminio negli ultimi anni.

III. Caratteristiche di assorbenza per lunghezza d'onda di materiali non metallici
1. Plastici e materiali polimerici

Le caratteristiche di assorbenza dei materiali plastici sono strettamente correlate alla loro struttura molecolare:

La maggior parte dei materiali plastici è trasparente o debolmente assorbente nella gamma del vicino infrarosso

Alta assorbenza nella banda dell'infrarosso medio e lontano (10,6 μm)

Le caratteristiche di assorbenza possono essere notevolmente modificate aggiungendo pigmenti o assorbitori

Pertanto, i laser al CO₂ sono ampiamente utilizzati per il taglio, la marcatura e la lavorazione di film sottili in plastica.

2. Legno, carta e materiali organici

I materiali organici in generale mostrano un'elevata assorbanza per i laser a infrarossi:

Elevata efficienza di assorbimento per i laser al CO₂

Soggetti a decomposizione termica, carbonizzazione e vaporizzazione

Zone termicamente alterate relativamente ampie durante la lavorazione

Questi materiali sono adatti alla lavorazione con laser a infrarossi a bassa potenza, continua o pulsata.

IV. Ceramiche, vetro e materiali trasparenti

I materiali trasparenti o semitrasparenti mostrano una forte dipendenza dalla lunghezza d'onda nell'assorbimento:

Bassa assorbanza e alta trasmissione nelle gamme dell'infrarosso e del visibile

Aumento significativo dell'assorbimento nella gamma ultravioletta

I laser a onde corte inducono più facilmente l'assorbimento multiphotonico

Di conseguenza, i laser ultravioletti offrono chiari vantaggi nella foratura del vetro e nella lavorazione di precisione della ceramica.

V. Influenza della superficie del materiale sul tasso di assorbimento

Oltre alle proprietà intrinseche del materiale, anche lo stato della superficie influisce sull'efficienza di assorbimento:

Le superfici ruvide assorbono l'energia laser più facilmente rispetto alle superfici specchiate

Gli strati ossidici e i rivestimenti possono ridurre la riflettività

I contaminanti superficiali possono aumentare l'assorbimento iniziale in determinati processi

Nella lavorazione di materiali altamente riflettenti, si ricorre spesso a un pretrattamento della superficie per migliorare il trasferimento dell'energia laser.

VI. Impatto delle differenze di assorbimento sulla lavorazione laser

Le differenze nei tassi di assorbimento dei materiali a diverse lunghezze d'onda del laser influiscono direttamente su:

Selezione del tipo di laser

Impostazioni di potenza e densità energetica

Velocità e stabilità del processo

Dimensione della zona termicamente influenzata e qualità della formatura

Abbinando correttamente il materiale alla lunghezza d'onda del laser più appropriata, è possibile ridurre il consumo energetico migliorando al contempo la qualità del processo e la sicurezza dell'equipaggiamento.

Esistono differenze significative nei tassi di assorbimento di diversi materiali a varie lunghezze d'onda del laser. Queste differenze sono determinate dalla struttura elettronica del materiale, dalle caratteristiche di vibrazione molecolare e dalle condizioni superficiali. Nelle applicazioni di lavorazione laser, la selezione di una lunghezza d'onda del laser che corrisponda alle caratteristiche di assorbimento del materiale è fondamentale per ottenere risultati ad alta efficienza e elevata qualità. Con lo sviluppo delle tecnologie laser a corta lunghezza d'onda, le capacità di lavorazione di materiali altamente riflettenti e trasparenti continuano a migliorare.