Analiza różnic w stopniach absorpcji długości fal laserowych przez różne materiały

W przetwarzaniu laserowym, czy energia laserowa może skutecznie oddziaływać na materiał zależy od zdolności materiału do pochłaniania konkretnej długości fali laserowej. Różne materiały wykazują istotne różnice w stopniu pochłaniania przy różnych długościach fal, a te różnice bezpośrednio wpływają na wydajność, stabilność oraz jakość przetwarzania w procesach cięcia, spawania, znakowania i czyszczenia laserowego. Zrozumienie charakterystyk pochłaniania materiału w zależności od długości fali laserowej stanowi podstawę do doboru procesu laserowego oraz optymalizacji parametrów.

I. Podstawowa zależność między długością fali laserowej a stopniem pochłaniania

Stopień pochłaniania laserowego określa, jaka część padającej energii laserowej jest pochłonięta przez powierzchnię materiału. Wpływają na to następujące czynniki:

Długość fali lasera

Struktura elektronowa i cechy sieci krystalicznej materiału

Stan powierzchni (chropowatość, warstwa tlenowa, powłoki)

Kąt padania oraz stan polaryzacji

W większości przypadków współczynnik pochłaniania materiału nie jest wartością stałą, lecz znacznie się zmienia w zależności od długości fali. Dlatego ten sam materiał może wykazywać wyraźnie różne wyniki przetwarzania przy oddziaływaniu różnych typów laserów (takich jak CO₂, światłowodowe, zielone lub ultrafioletowe).

II. Charakterystyka pochłaniania różnych długości fal laserowych przez materiały metalowe
1. Metale żelazne (stal węglowa, stal nierdzewna)

Metale żelazne wykazują stosunkowo stabilne pochłanianie w zakresie bliskiej podczerwieni (około 1,06 μm):

Wysokie pochłanianie dla laserów światłowodowych o długości fali 1064 nm

Dobre sprzęganie energii z laserami CO₂ o długości fali 10,6 μm

Dalszy wzrost pochłaniania po utlenieniu powierzchni lub jej chropowaceniu

W związku z tym lasery światłowodowe i lasery CO₂ są powszechnie stosowane do cięcia i spawania materiałów stalowych.

2. Metale o wysokiej refleksyjności (aluminium, miedź, złoto, srebro)

Metale o wysokiej refleksyjności mają niskie pochłanianie w zakresie podczerwieni:

Niska początkowa absorpcja dla laserów 1064 nm, ze silnym odbiciem

Znacznie wyższa absorpcja przy krótszych długościach fal (zielona 532 nm, niebieska 450 nm)

Absorpcja wzrasta dynamicznie wraz ze wzrostem temperatury

Jest to główny powód, dla którego lasery zielone i niebieskie zostały w ostatnich latach szybko wprowadzone w procesach spawania miedzi i precyzyjnej obróbki aluminium

III. Charakterystyka absorpcji fal świetlnych przez niemetale
1. Tworzywa sztuczne i materiały polimerowe

Charakterystyka absorpcji tworzyw sztucznych jest ściśle związana z ich strukturą cząsteczkową:

Większość tworzyw sztucznych jest przezroczysta lub słabo absorbująca w zakresie bliskiej podczerwieni

Wysoka absorpcja w średnim i dalekim zakresie podczerwieni (10,6 μm)

Charakterystykę absorpcji można znacząco zmienić poprzez dodanie barwników lub środków absorbujących

Dlatego lasery CO₂ są powszechnie stosowane do cięcia plastiku, znakowania oraz obróbki cienkich warstw.

2. Drewno, papier i materiały organiczne

Materiały organiczne zazwyczaj wykazują wysoką absorpcję laserów podczerwonych:

Wysoka wydajność absorpcji dla laserów CO₂

Nac tendencyjne do rozkładu termicznego, zwęglania i odparowywania

Stosunkowo duże strefy wpływu ciepła podczas obróbki

Te materiały nadają się do niskomocowej ciągłej lub impulsowej obróbki laserowej podczerwienią.

IV. Ceramika, szkło i materiały przezroczyste

Materiały przezroczyste lub półprzezroczyste wykazują silną zależność absorpcji od długości fali:

Niska absorpcja i wysoka przepuszczalność w zakresach podczerwonym i widzialnym

Znacznie zwiększone pochłanianie w zakresie ultrafioletu

Laserowe promieniowanie o krótkiej długości fali łatwiej wywołuje pochłanianie wielofotonowe

W rezultacie lasery ultrafioletowe mają wyraźne zalety w wierceniu szkła i precyzyjnej obróbce ceramiki.

V. Wpływ powierzchni materiału na współczynnik pochłaniania

Oprócz własnych właściwości materiału, na skuteczność pochłaniania wpływa również stan powierzchni:

Chropowate powierzchnie łatwiej pochłaniają energię laserową niż lustrzane powierzchnie

Warstwy tlenkowe i powłoki mogą zmniejszać odbiciowość

Zanieczyszczenia powierzchniowe mogą zwiększać początkowe pochłanianie w niektórych procesach

Podczas obróbki materiałów o wysokiej odbiciowości często stosuje się wstępną obróbkę powierzchni w celu poprawy sprzęgania energii laserowej.

VI. Wpływ różnic w pochłanianiu na obróbkę laserową

Różnice w szybkościach absorpcji materiałów przy różnych długościach fali laserowej wpływają bezpośrednio na:

Wybór typu lasera

Ustawienia mocy i gęstości energii

Prędkość przetwarzania i stabilność

Wielkość strefy wpływu ciepła oraz jakość formowania

Poprzez odpowiednie dopasowanie materiału do odpowiedniej długości fali laserowej można zmniejszyć zużycie energii, poprawiając jednocześnie jakość przetwarzania i bezpieczeństwo urządzeń.

Istnieją znaczące różnice w szybkościach absorpcji różnych materiałów przy różnych długościach fali laserowej. Różnice te są określone przez strukturę elektroniczną materiału, charakterystykę drgań cząsteczkowych oraz stan powierzchni. W zastosowaniach przetwarzania laserowego wybór długości fali laserowej pasującej do cech absorpcyjnych materiału jest kluczowy dla osiągnięcia wysokiej wydajności i jakości wyników. Dzięki rozwojowi technologii laserów o krótkich falach możliwości przetwarzania materiałów silnie odbijających i przezroczystych stale się poprawiają.