Metody kontroli strefy wpływu ciepła dla maszyn do znakowania laserowego

Maszyna do znakowania laserowego to urządzenie wykorzystujące wiązkę laserową o wysokiej gęstości energii do tworzenia trwałych znaków na powierzchni materiałów. W trakcie procesu znakowania laser generuje ciepło na powierzchni materiału i w jego otoczeniu, tworząc strefę wpływu ciepła (HAZ). Strefa ta może powodować zmiany barwy, przypalenia lub lokalne naprężenia, wpływając negatywnie na jakość znakowania. Artykuł analizuje strefę wpływu ciepła pod trzema aspektami: mechanizm powstawania, czynniki wpływające oraz metody kontroli.

1. Mechanizm powstawania strefy wpływu ciepła

Podczas znakowania laserowego wiązka laserowa jest skupiana na powierzchni przedmiotu obrabianego za pomocą systemu optycznego. Materiał pochłania energię laserową, szybko się nagrzewa i ulega lokalnemu odparowaniu lub stopieniu. Obszar otaczający, który nie został całkowicie odparowany, doświadcza wzrostu temperatury z powodu przewodzenia ciepła, tworząc strefę wpływu cieplnego (HAZ). Główne cechy strefy HAZ to:

Zależność od wielkości plamki: większe plamki laserowe rozprowadzają ciepło na większym obszarze, co prowadzi do powstania większej strefy HAZ.

Przewodnictwo cieplne materiału: metale o wysokim przewodnictwie cieplnym szybko rozpraszają ciepło, co powoduje większą strefę HAZ, podczas gdy materiały o niskim przewodnictwie cieplnym ograniczają rozprzestrzenianie się ciepła, dając mniejszą strefę HAZ.

Energia i czas trwania impulsu: duże moce, długie impulsy lub tryby fal ciągłych mają tendencję do zwiększania dyfuzji ciepła.

2. Czynniki wpływające na wielkość strefy wpływu cieplnego

Moc lasera
Wyższa moc powoduje większe pochłanianie energii, szybszy wzrost temperatury powierzchni oraz szerszą dyfuzję ciepła, powiększając strefę HAZ.

Szerokość impulsu i częstotliwość powtórzeń
Laserowe impulsy krótkotrwałe koncentrują energię, ograniczając ciepło do punktu ogniskowania i minimalizując strefę wpływu cieplnego (HAZ). Długie impulsy lub wysoka częstotliwość powtórzeń mogą prowadzić do akumulacji ciepła, zwiększając strefę HAZ.

Rozmiar plamki i położenie ostrości
Małe, precyzyjnie skupione plamki koncentrują ciepło, tworząc wyraźne znaczenia. Duże plamki lub nieprawidłowe ustawienie ostrości rozpraszają ciepło i powiększają strefę HAZ.

Prędkość skanowania
Wolne skanowanie powoduje dłuższe przebywanie lasera w tym samym miejscu, co zwiększa akumulację ciepła. Szybsze skanowanie zmniejsza lokalny wzrost temperatury i pomniejsza strefę HAZ.

Właściwości materiału
Przewodność cieplna, współczynnik absorpcji oraz temperatura topnienia materiału bezpośrednio wpływają na rozprzestrzenianie się ciepła. Na przykład aluminium i miedź charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną i dużą strefą HAZ, podczas gdy tworzywa sztuczne i ceramika mają mniejszą strefę HAZ.

3. Metody kontrolowania strefy wpływu cieplnego

Optymalizacja mocy lasera i parametrów impulsu
Dostosuj moc, szerokość impulsu i częstotliwość powtórzeń do właściwości materiału, aby skoncentrować energię w punkcie ogniskowym bez nadmiernej dyfuzji. Krótkie impulsy o wysokiej mocy szczytowej skutecznie zmniejszają strefę wpływu ciepła (HAZ).

Dostosuj układ ogniskujący
Wybierz odpowiednią soczewkę o odpowiedniej ogniskowej i upewnij się, że punkt ogniskowy znajduje się dokładnie na powierzchni materiału, aby zapobiec rozpraszaniu ciepła. Mniejsze rozmiary plamki zmniejszają strefę wpływu ciepła (HAZ).

Zwiększ prędkość skanowania
Zwiększ prędkość skanerów galwanometrycznych lub stołów XY, aby zmniejszyć czas przebywania lasera, minimalizując lokalne gromadzenie się ciepła.

Markowanie krokowe lub wieloprzejściowe
W przypadku ciemnych lub grubszych materiałów użyj wielu przejść o niskiej energii, aby stopniowo gromadzić ciepło bez powodowania nadmiernej strefy wpływu ciepła (HAZ).

Chłodzenie pomocnicze
Stosuj dmuchanie powietrzem lub chłodzenie wodą podczas markowania, aby usuwać ciepło z powierzchni i kontrolować dyfuzję ciepła.

Wybierz odpowiednią długość fali lasera
Materiały pochłaniają różne długości fal w różny sposób. Wybór odpowiedniej długości fali poprawia wydajność znakowania i zmniejsza rozprzestrzenianie ciepła, umożliwiając tym samym kontrolę strefy wpływu cieplnego (HAZ).

Strefa wpływu cieplnego jest nieuniknionym zjawiskiem podczas znakowania laserowego. Jednak dzięki optymalizacji mocy lasera, parametrów impulsu, systemu fokusującego, prędkości skanowania oraz zastosowaniu chłodzenia, możliwe jest skuteczne kontrolowanie rozmiaru strefy HAZ, co zapewnia wysoką jakość znakowania. Kontrola strefy HAZ nie tylko poprawia wyraźność i precyzję znakowania, ale także redukuje odkształcenia materiału i uszkodzenia powierzchni, stanowiąc kluczową technologię dla precyzyjnego znakowania laserowego.