Analiza Diferențelor în Ratele de Absorbție a Lungimilor de Undă Laser de către Diferite Materiale

În prelucrarea cu laser, capacitatea laserului de a acționa eficient asupra unui material depinde de abilitatea acestuia de a absorbi o anumită lungime de undă a laserului. Diferite materiale prezintă diferențe semnificative în ceea ce privește rata absorbției la diferite lungimi de undă, iar aceste diferențe afectează direct eficiența, stabilitatea și calitatea procesării în cazul tăierii, sudării, marcării și curățării cu laser. Înțelegerea caracteristicilor de absorbție material-lungime de undă este fundamentul pentru selecția proceselor laser și optimizarea parametrilor.

I. Relația de bază dintre lungimea de undă a laserului și rata de absorbție

Rata de absorbție a laserului se referă la proporția din energia laser incidentă care este absorbită de suprafața unui material. Aceasta este influențată de următorii factori:

Lungimea de undă a laserului

Structura electronică și caracteristicile rețelei cristaline ale materialului

Starea suprafeței (rugozitate, strat de oxid, straturi de acoperire)

Unghiul de incidență și starea de polarizare

În majoritatea cazurilor, rata de absorbție a unui material nu este o valoare fixă, ci variază semnificativ în funcție de lungimea de undă. Prin urmare, același material poate prezenta rezultate de procesare foarte diferite atunci când este expus la tipuri diferite de lasere (cum ar fi lasere CO₂, cu fibră, verzi sau ultraviolete).

II. Caracteristicile de absorbție ale lungimilor de undă laser diferite pentru materialele metalice
1. Metale feromagnetice (oțel carbon, oțel inoxidabil)

Metalele feromagnetice prezintă o absorbție relativ stabilă în banda de infraroșu apropiat (în jurul 1,06 μm):

Absorbție ridicată pentru lasere cu fibră de 1064 nm

Cuplare bună a energiei cu lasere CO₂ de 10,6 μm

Absorbție suplimentar crescută după oxidarea sau asperizarea suprafeței

Ca rezultat, laserele cu fibră și laserele CO₂ sunt utilizate în mod frecvent pentru tăierea și sudarea materialelor din oțel.

2. Metalele cu reflexie ridicată (aluminiu, cupru, aur, argint)

Metalele cu reflexie ridicată au o absorbție scăzută în banda de infraroșu:

Absorbție inițială redusă pentru laserele de 1064 nm, cu o reflexie puternică

Absorbție semnificativ mai ridicată la lungimi de undă mai scurte (verde 532 nm, albastru 450 nm)

Absorbția crește dinamic pe măsură ce temperatura se ridică

Aceasta este motivul principal pentru care laserii verzi și albaștri au fost adoptați rapid în sudarea cuprului și în prelucrarea precisă a aluminiului în ultimii ani.

III. Caracteristicile de absorbție ale lungimii de undă ale materialelor ne-metalice
1. Materiale plastice și polimerice

Caracteristicile de absorbție ale materialelor plastice sunt strâns legate de structura lor moleculară:

Majoritatea materialelor plastice sunt transparente sau slab absorbante în domeniul infraroșu apropiat

Absorbție ridicată în banda infraroșie medie și depărtată (10,6 μm)

Caracteristicile de absorbție pot fi modificate semnificativ prin adăugarea de pigmenti sau absorbatori

Prin urmare, laserii cu CO₂ sunt utilizați în mod frecvent pentru tăierea, marcarea și procesarea filmelor subțiri din plastic.

2. Lemn, hârtie și materiale organice

Materialele organice prezintă în general o absorbție ridicată pentru laserii infraroșu:

Eficiență ridicată de absorbție pentru laserii cu CO₂

Predispuse la descompunerea termică, carbonizare și vaporizare

Zone termic afectate relativ mari în timpul procesării

Aceste materiale sunt potrivite pentru procesarea cu laser infraroșu continuu sau pulsat, de joasă putere.

IV. Ceramice, sticlă și materiale transparente

Materialele transparente sau semitransparente prezintă o dependență puternică a absorbției în funcție de lungimea de undă:

Absorbție redusă și transmitere ridicată în domeniile infraroșu și vizibil

Absorbție semnificativ crescută în domeniul ultraviolet

Laserii cu lungime de undă scurtă induc mai ușor absorbția multiphotonică

Ca urmare, laserii ultravioleți prezintă avantaje evidente în forarea sticlei și prelucrarea precisă a materialelor ceramice.

V. Influenta suprafeței materialului asupra ratei de absorbție

Pe lângă proprietățile intrinseci ale materialului, starea suprafeței afectează și eficiența absorbției:

Suprafețele aspre absorb energia laser mai ușor decât suprafețele oglindă

Straturile de oxid și acoperirile pot reduce reflexia

Contaminanții de suprafață pot crește absorbția inițială în anumite procese

În prelucrarea materialelor foarte reflectorizante, se folosește adesea un tratament preliminar al suprafeței pentru a îmbunătăți cuplarea energiei laser.

VI. Impactul diferențelor de absorbție asupra prelucrării cu laser

Diferențele dintre ratele de absorbție ale materialului la diverse lungimi de undă laser afectează direct:

Selectarea tipului de laser

Setările de putere și densitate energetică

Viteza și stabilitatea procesării

Dimensiunea zonei afectate termic și calitatea formării

Prin potrivirea corespunzătoare a materialului cu o lungime de undă laser adecvată, este posibilă reducerea consumului de energie, în timp ce se îmbunătățește calitatea procesării și siguranța echipamentelor.

Există diferențe semnificative între ratele de absorbție ale diferitelor materiale la diverse lungimi de undă laser. Aceste diferențe sunt determinate de structura electronică a materialului, caracteristicile de vibrație moleculară și starea suprafeței. În aplicațiile de prelucrare laser, selectarea unei lungimi de undă laser care să corespundă caracteristicilor de absorbție ale materialului este esențială pentru obținerea unor rezultate eficiente și de înaltă calitate. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor laser cu lungimi de undă scurte, capacitățile de prelucrare a materialelor foarte reflectante și transparente continuă să se îmbunătățească.