Methoden voor het beheersen van de warmtebeïnvloede zone voor lasermarkeringmachines

Een lasermarkeringmachine is een apparaat dat gebruikmaakt van een laserstraal met hoge energiedichtheid om permanente markeringen aan te brengen op het oppervlak van materialen. Tijdens het markeringsproces wekt de laser warmte op in het materiaaloppervlak en de omliggende gebieden, waardoor een door warmte beïnvloede zone (HAZ) ontstaat. De HAZ kan verkleuring, verbranding of lokale spanning veroorzaken, wat de kwaliteit van de markering kan beïnvloeden. Dit artikel analyseert de HAZ vanuit drie aspecten: vormingsmechanisme, beïnvloedende factoren en beheersmethoden.

1. Vormingsmechanisme van de door warmte beïnvloede zone

Tijdens lasermarkering wordt de laserstraal via een focusssysteem geconcentreerd op het oppervlak van het werkstuk. Het materiaal absorbeert de laserenergie, warmt snel op en ondergaat lokale verdampping of smelting. Het omliggende gebied dat niet volledig verdampt is, warmt op door warmtegeleiding, waardoor de warmtebeïnvloede zone ontstaat. Belangrijke kenmerken van de HAZ zijn:

Afhankelijkheid van vlekformaat: grotere laserplekken verdelen warmte over een bredere oppervlakte, wat resulteert in een grotere HAZ.

Thermische geleidbaarheid van het materiaal: metalen met hoge thermische geleidbaarheid verspreiden warmte snel, wat resulteert in een grotere HAZ, terwijl materialen met lage thermische geleidbaarheid de warmte beperken, wat resulteert in een kleinere HAZ.

Pulsenergie en -duur: hoge vermogens, lange pulsen of continu-golfmodi leiden vaak tot toegenomen warmtediffusie.

2. Factoren die de grootte van de warmtebeïnvloede zone beïnvloeden

Laser Power
Hogere vermogens leiden tot grotere energieabsorptie, snellere stijging van de oppervlaktetemperatuur en bredere warmtediffusie, waardoor de HAZ groter wordt.

Pulsbreedte en herhalingssnelheid
Kortepuls-lasers concentreren energie, waarbij de warmte beperkt blijft tot het brandpunt en de HAZ wordt geminimaliseerd. Lange pulsen of hoge herhalingssnelheden kunnen warmte ophopen, waardoor de HAZ toeneemt.

Vlekformaat en focuspositie
Kleine, nauwkeurig gefocuste vlekken concentreren warmte en zorgen voor duidelijke markeringen. Grote vlekken of onjuiste focusverstelling verspreiden warmte en vergroten de HAZ.

Scansnelheid
Langzaam scannen zorgt ervoor dat de laser langer op hetzelfde gebied blijft, wat leidt tot meer warmte-ophoping. Sneller scannen vermindert de lokale temperatuurstijging en verkleint de HAZ.

Materiaaleigenschappen
Thermische geleidbaarheid, absorptievermogen en smeltpunt van het materiaal beïnvloeden rechtstreeks de warmteverspreiding. Aluminium en koper hebben bijvoorbeeld een hoge thermische geleidbaarheid en een grote HAZ, terwijl kunststoffen en keramiek een kleinere HAZ hebben.

3. Methoden om de hittebeïnvloede zone te beheersen

Optimaliseer laserintensiteit en pulsparameters
Pas het vermogen, de pulsduur en de herhalingssnelheid aan op basis van de materiaaleigenschappen om energie te concentreren in het brandpunt zonder overmatige verspreiding. Korte pulsen met hoog piekvermogen reduceren effectief de HAZ.

Pas het focus systeem aan
Selecteer een lens met een geschikte brandpuntsafstand en zorg ervoor dat het brandpunt nauwkeurig op het oppervlak van het materiaal ligt om warmteverspreiding te voorkomen. Kleinere vlekken verkleinen de HAZ.

Verhoog de scansnelheid
Verhoog de snelheid van galvanometerscanners of XY-tafels om de verblijftijd van de laser te verkorten en lokale warmteopbouw te minimaliseren.

Markering in trapsgewijze of meerdere passen
Gebruik bij donkere of dikke materialen meerdere passen met lage energie om geleidelijk warmte op te bouwen zonder een te grote HAZ te creëren.

Hulpkoeling
Gebruik luchtblazen of waterkoeling tijdens het markeren om oppervlaktewarmte af te voeren en warmteverspreiding te beheersen.

Selecteer de geschikte laser golflengte
Materialen absorberen verschillende golflengten op verschillende manieren. Het kiezen van een geschikte golflengte verbetert de markeerefficiëntie en vermindert warmtediffusie, waardoor de HAZ wordt beheerst.

De hittebeïnvloede zone is een onvermijdbaar fenomeen bij lasermarkering. Door echter de laserkracht, pulsparameters, focusysteem, scansnelheid te optimaliseren en koelmaatregelen toe te passen, kan de grootte van de HAZ effectief worden beheerst, wat de kwaliteit van de markering waarborgt. Het beheersen van de HAZ verbetert niet alleen de duidelijkheid en precisie van de markering, maar vermindert ook materiaalvervorming en oppervladeschade, waardoor het een sleuteltechnologie wordt voor hoogwaardige lasermarkering.