Metode de control al zonei afectate termic pentru mașinile de marcat cu laser

O mașină de marcat cu laser este un dispozitiv care utilizează un fascicul laser de înaltă densitate energetică pentru a crea mărci permanente pe suprafața materialelor. În timpul procesului de marcare, laserul generează căldură pe suprafața materialului și în zona sa înconjurătoare, formând o zonă afectată termic (HAZ). Zona afectată termic poate provoca discolorare, ardere sau tensiuni localizate, afectând calitatea marcării. Acest articol analizează zona afectată termic din trei puncte de vedere: mecanismul de formare, factorii influențatori și metodele de control.

1. Mecanismul de formare a zonei afectate termic

În timpul marcării cu laser, fasciculul laser este focalizat pe suprafața piesei de prelucrat printr-un sistem de focalizare. Materialul absoarbe energia laserului, se încălzește rapid și suferă o vaporizare locală sau topire. Zona înconjurătoare care nu este complet vaporizată înregistrează o creștere de temperatură datorită conducției termice, formând zona afectată termic (ZAT). Caracteristicile principale ale ZAT includ:

Dependența de dimensiunea spotului: Spoturile laser mai mari distribuie căldura pe o arie mai largă, rezultând o ZAT mai mare.

Conductivitatea termică a materialului: metalele cu conductivitate termică ridicată dispersează căldura rapid, rezultând o ZAT mai mare, în timp ce materialele cu conductivitate termică scăzută localizează căldura, rezultând o ZAT mai mică.

Energia și durata impulsului: impulsuri puternice, de durată lungă, sau regimuri în undă continuă tind să crească difuzia termică.

2. Factori care influențează dimensiunea zonei afectate termic

Putere laser
O putere mai mare determină o absorbție mai mare a energiei, o creștere mai rapidă a temperaturii suprafeței și o difuzie termică mai amplă, mărind astfel ZAT.

Lățimea impulsului și rata de repetiție
Laserii cu impulsuri scurte concentrează energia, îngrădiți căldura în punctul focal și minimizând zona afectată termic. Impulsurile lungi sau ratele mari de repetiție pot acumula căldură, crescând zona afectată termic.

Dimensiunea spotului și poziția de focalizare
Spoturile mici și bine focalizate concentrează căldura, producând marcaje clare. Spoturile mari sau defocalizarea dispersează căldura și măresc zona afectată termic.

Viteză de scaneare
Viteza redusă de scanare determină staționarea laserului mai mult timp în aceeași zonă, ceea ce crește acumularea de căldură. O scanare mai rapidă reduce creșterea temperaturii locale și micșorează zona afectată termic.

Proprietăți materiale
Conductivitatea termică, rata de absorbție și punctul de topire al materialului afectează direct difuzia căldurii. De exemplu, aluminiul și cuprul au o conductivitate termică ridicată și o zonă afectată termic mai mare, în timp ce materialele plastice și ceramica au o zonă afectată termic mai mică.

3. Metode de control al zonei afectate termic

Optimizați puterea laserului și parametrii impulsului
Ajustați puterea, durata impulsului și rata de repetiție în funcție de proprietățile materialului pentru a concentra energia în punctul focal fără o difuzie excesivă. Impulsurile scurte cu putere de vârf ridicată reduc eficient zona afectată termic (HAZ).

Ajustați sistemul de focalizare
Selectați o lentilă cu distanță focală corespunzătoare și asigurați-vă că punctul focal este plasat exact pe suprafața materialului pentru a preveni dispersia căldurii. Dimensiunile mai mici ale spotului reduc zona afectată termic (HAZ).

Măriți viteza de scanare
Măriți viteza scannerelor galvanometrice sau a stadiilor XY pentru a reduce timpul de expunere la laser, minimizând acumularea locală de căldură.

Marcare în pași sau cu treceri multiple
Pentru materiale întunecate sau groase, utilizați mai multe treceri cu energie redusă pentru a acumula treptat căldura fără a crea o zonă afectată termic excesivă (HAZ).

Răcire auxiliară
Utilizați suflare cu aer sau răcire cu apă în timpul marcării pentru a elimina căldura de la suprafață și a controla difuzia termică.

Selectați lungimea de undă a laserului corespunzătoare
Materialele absorb în mod diferit lungimile de undă. Alegerea unei lungimi de undă potrivite îmbunătățește eficiența marcare și reduce difuzia căldurii, controlând astfel zona afectată termic (HAZ).

Zona afectată termic este un fenomen inerent marcării cu laser. Cu toate acestea, prin optimizarea puterii laser, a parametrilor impulsului, a sistemului de focalizare, a vitezei de scanare și prin aplicarea unor măsuri de răcire, dimensiunea zonei afectate termic poate fi controlată eficient, asigurând calitatea marcării. Controlul zonei afectate termic nu doar îmbunătățește claritatea și precizia marcării, dar reduce și deformarea materialului și deteriorarea suprafeței, reprezentând astfel o tehnologie esențială pentru marcarea cu laser de înaltă precizie.