Métodos de Controle da Zona Termicamente Afetada para Máquinas de Marcação a Laser

Uma máquina de marcação a laser é um dispositivo que utiliza um feixe de laser de alta densidade energética para criar marcas permanentes na superfície de materiais. Durante o processo de marcação, o laser gera calor na superfície do material e na área circundante, formando uma zona afetada pelo calor (HAZ). A HAZ pode causar descoloração, queima ou tensão localizada, afetando a qualidade da marcação. Este artigo analisa a HAZ sob três aspectos: mecanismo de formação, fatores influentes e métodos de controle.

1. Mecanismo de Formação da Zona Afetada pelo Calor

Durante a marcação a laser, o feixe de laser é focalizado na superfície da peça através de um sistema de focagem. O material absorve a energia do laser, aquece rapidamente e sofre vaporização localizada ou fusão. A área circundante que não é totalmente vaporizada experimenta aumento de temperatura devido à condução térmica, formando a zona afetada termicamente. As características principais da ZAT incluem:

Dependência do tamanho do ponto: pontos maiores distribuem o calor por uma área mais ampla, resultando em uma ZAT maior.

Condutividade térmica do material: metais com alta condutividade térmica dispersam o calor rapidamente, resultando em uma ZAT maior, enquanto materiais com baixa condutividade térmica confinam o calor, resultando em uma ZAT menor.

Energia e duração do pulso: pulsos de alta potência, longos ou em modo contínuo tendem a aumentar a difusão de calor.

2. Fatores que Afetam o Tamanho da Zona Afetada Termicamente

Potência do laser
Potências mais altas resultam em maior absorção de energia, aumento mais rápido da temperatura superficial e difusão térmica mais ampla, aumentando a ZAT.

Largura de pulso e taxa de repetição
Os lasers de pulso curto concentram energia, confinando o calor ao ponto focal e minimizando a zona afetada pelo calor. Pulsos longos ou altas taxas de repetição podem acumular calor, aumentando a zona afetada.

Tamanho do ponto e posição de foco
Pontos pequenos e com foco preciso concentram o calor, produzindo marcas nítidas. Pontos grandes ou desalinhamento no foco dispersam o calor e ampliam a zona afetada pelo calor.

Velocidade de varredura
Varredura lenta faz com que o laser permaneça mais tempo na mesma área, aumentando a acumulação de calor. Varredura mais rápida reduz o aumento local da temperatura e diminui a zona afetada pelo calor.

Propriedades do material
Condutividade térmica, taxa de absorção e ponto de fusão do material afetam diretamente a difusão de calor. Por exemplo, o alumínio e o cobre possuem alta condutividade térmica e apresentam uma grande zona afetada pelo calor, enquanto plásticos e cerâmicas têm uma zona menor.

3. Métodos para Controlar a Zona Afetada pelo Calor

Otimizar potência do laser e parâmetros de pulso
Ajuste a potência, largura do pulso e taxa de repetição de acordo com as propriedades do material para concentrar a energia no ponto focal sem difusão excessiva. Pulsos curtos com alta potência de pico reduzem efetivamente a ZTA.

Ajuste o sistema de focagem
Selecione uma lente com comprimento focal apropriado e certifique-se de que o ponto focal esteja exatamente na superfície do material para evitar dispersão de calor. Tamanhos menores de ponto reduzem a ZTA.

Aumente a velocidade de varredura
Aumente a velocidade dos scanners galvanométricos ou das plataformas XY para reduzir o tempo de permanência do laser, minimizando a acumulação local de calor.

Marcação em passos ou múltiplas passagens
Para materiais escuros ou espessos, utilize múltiplas passagens com baixa energia para acumular gradualmente calor sem criar uma ZTA excessiva.

Refrigeração auxiliar
Utilize sopragem de ar ou refrigeração a água durante a marcação para remover o calor da superfície e controlar a difusão térmica.

Selecione o comprimento de onda do laser apropriado
Os materiais absorvem diferentes comprimentos de onda de forma distinta. A escolha de um comprimento de onda adequado melhora a eficiência da marcação e reduz a difusão de calor, controlando assim a zona afetada pelo calor.

A zona afetada pelo calor é um fenômeno inevitável na marcação a laser. No entanto, ao otimizar a potência do laser, os parâmetros de pulso, o sistema de focagem, a velocidade de varredura e aplicar medidas de resfriamento, é possível controlar efetivamente o tamanho da zona afetada pelo calor, garantindo a qualidade da marcação. O controle dessa zona não só melhora a nitidez e a precisão da marcação, mas também reduz a deformação do material e danos à superfície, tornando-se uma tecnologia essencial para a marcação a laser de alta precisão.