Metodi di controllo della zona termicamente influenzata per macchine di marcatura laser

Una macchina per marcatura laser è un dispositivo che utilizza un fascio laser ad alta densità energetica per creare segni permanenti sulla superficie dei materiali. Durante il processo di marcatura, il laser genera calore sulla superficie del materiale e sulla zona circostante, formando una zona termicamente influenzata (HAZ). La HAZ può causare discolorazione, bruciature o tensioni localizzate, compromettendo la qualità della marcatura. Questo articolo analizza la HAZ sotto tre aspetti: meccanismo di formazione, fattori influenti e metodi di controllo.

1. Meccanismo di formazione della zona termicamente influenzata

Durante la marcatura laser, il fascio laser viene focalizzato sulla superficie del pezzo attraverso un sistema di messa a fuoco. Il materiale assorbe l'energia laser, si riscalda rapidamente e subisce vaporizzazione locale o fusione. La zona circostante che non viene completamente vaporizzata sperimenta un aumento di temperatura a causa della conduzione termica, formando la zona termicamente influenzata. Le caratteristiche principali della ZTI includono:

Dipendenza dalla dimensione del punto: punti laser più grandi distribuiscono il calore su un'area più ampia, risultando in una ZTI più estesa.

Conducibilità termica del materiale: i metalli con elevata conducibilità termica disperdono il calore rapidamente, determinando una ZTI più grande, mentre i materiali con bassa conducibilità termica confinano il calore, producendo una ZTI più piccola.

Energia e durata dell'impulso: impulsi ad alta potenza, di lunga durata o in modalità continua tendono ad aumentare la diffusione del calore.

2. Fattori che influenzano le dimensioni della zona termicamente influenzata

Potenza del laser
Una potenza maggiore comporta un maggiore assorbimento di energia, un più rapido aumento della temperatura superficiale e una diffusione termica più ampia, ingrandendo la ZTI.

Larghezza d'impulso e frequenza di ripetizione
I laser a impulsi brevi concentrano l'energia, confinando il calore nel punto focale e minimizzando la zona termicamente alterata (HAZ). Impulsi lunghi o alte frequenze di ripetizione possono accumulare calore, aumentando la HAZ.

Dimensione del punto focale e posizione del fuoco
Punti piccoli e accuratamente focalizzati concentrano il calore, producendo marcature nitide. Punti grandi o una cattiva messa a fuoco disperdono il calore e ampliano la HAZ.

Velocità di scansione
Una scansione lenta fa sì che il laser permana più a lungo sulla stessa area, aumentando l'accumulo di calore. Una scansione più veloce riduce l'aumento locale della temperatura e riduce la HAZ.

Proprietà del materiale
La conducibilità termica, il tasso di assorbimento e il punto di fusione del materiale influenzano direttamente la diffusione del calore. Ad esempio, l'alluminio e il rame hanno un'elevata conducibilità termica e una HAZ ampia, mentre le plastiche e le ceramiche presentano una HAZ più ridotta.

3. Metodi per controllare la zona termicamente alterata

Ottimizzare la potenza del laser e i parametri dell'impulso
Regolare la potenza, la larghezza dell'impulso e la frequenza di ripetizione in base alle proprietà del materiale per concentrare l'energia nel punto focale senza un'eccessiva diffusione. Impulsi brevi con alta potenza di picco riducono efficacemente la zona termicamente alterata (HAZ).

Regolare il sistema di focalizzazione
Selezionare una lente con lunghezza focale appropriata e assicurarsi che il punto focale sia esattamente sulla superficie del materiale per evitare la dispersione del calore. Dimensioni minori del punto focale riducono la HAZ.

Aumentare la velocità di scansione
Aumentare la velocità degli scanner galvanometrici o dei sistemi XY per ridurre il tempo di permanenza del laser, minimizzando l'accumulo locale di calore.

Marcatura a passaggi multipli o progressivi
Per materiali scuri o spessi, utilizzare più passaggi a bassa energia per accumulare gradualmente calore senza creare una HAZ eccessiva.

Raffreddamento ausiliario
Utilizzare soffiaggio d'aria o raffreddamento ad acqua durante la marcatura per rimuovere il calore superficiale e controllare la diffusione termica.

Selezionare la lunghezza d'onda del laser appropriata
I materiali assorbono diverse lunghezze d'onda in modo diverso. La scelta di una lunghezza d'onda adeguata migliora l'efficienza della marcatura e riduce la diffusione del calore, consentendo così di controllare la zona interessata dal calore (HAZ).

La zona interessata dal calore è un fenomeno inevitabile nella marcatura laser. Tuttavia, ottimizzando la potenza del laser, i parametri dell'impulso, il sistema di focalizzazione, la velocità di scansione e applicando misure di raffreddamento, è possibile controllare efficacemente l'estensione della zona interessata dal calore, garantendo la qualità della marcatura. Il controllo della zona interessata dal calore non solo migliora la chiarezza e la precisione della marcatura, ma riduce anche la deformazione del materiale e i danni alla superficie, rappresentando una tecnologia fondamentale per la marcatura laser ad alta precisione.