Методы контроля зоны термического влияния для лазерных маркировочных машин

Лазерная маркировочная машина — это устройство, которое использует лазерный луч высокой плотности энергии для нанесения постоянных меток на поверхность материалов. В процессе маркировки лазер выделяет тепло на поверхности материала и в прилегающей области, образуя зону термического влияния (ЗТВ). Зона термического влияния может вызывать изменение цвета, обгорание или локальные напряжения, что влияет на качество маркировки. В данной статье анализируется ЗТВ с трех точек зрения: механизм образования, факторы влияния и методы контроля.

1. Механизм образования зоны термического влияния

При лазерной маркировке лазерный луч фокусируется на поверхности заготовки с помощью фокусирующей системы. Материал поглощает лазерную энергию, быстро нагревается и подвергается местному испарению или плавлению. Окружающая область, которая не полностью испарилась, испытывает повышение температуры из-за теплопроводности, образуя зону термического влияния. Ключевые характеристики ЗТВ включают:

Зависимость от размера пятна: большие лазерные пятна распределяют тепло по более широкой области, что приводит к увеличению ЗТВ.

Теплопроводность материала: металлы с высокой теплопроводностью быстро рассеивают тепло, что приводит к большей ЗТВ, тогда как материалы с низкой теплопроводностью ограничивают распространение тепла, в результате чего ЗТВ меньше.

Энергия и длительность импульса: высокая мощность, длинные импульсы или непрерывный режим способствуют увеличению тепловой диффузии.

2. Факторы, влияющие на размер зоны термического влияния

Мощность лазера
Более высокая мощность приводит к большему поглощению энергии, более быстрому повышению температуры поверхности и более широкому распространению тепла, увеличивая ЗТВ.

Ширина импульса и частота повторения
Лазеры коротких импульсов концентрируют энергию, ограничивая тепло в фокусе и минимизируя зону термического влияния. Длительные импульсы или высокая частота повторения могут привести к накоплению тепла, увеличивая зону термического влияния.

Размер пятна и положение фокуса
Малые, точно сфокусированные пятна концентрируют тепло, обеспечивая чёткие метки. Большие пятна или несоосность фокуса рассеивают тепло и увеличивают зону термического влияния.

Скорость сканирования
Медленное сканирование заставляет лазер дольше задерживаться на одном участке, увеличивая накопление тепла. Более быстрое сканирование снижает локальное повышение температуры и уменьшает зону термического влияния.

Свойства материала
Теплопроводность, коэффициент поглощения и температура плавления материала напрямую влияют на распространение тепла. Например, алюминий и медь обладают высокой теплопроводностью и образуют большую зону термического влияния, тогда как пластики и керамика — меньшую.

3. Методы контроля зоны термического влияния

Оптимизация мощности лазера и параметров импульса
Регулируйте мощность, ширину импульса и частоту повторения в зависимости от свойств материала, чтобы сконцентрировать энергию в фокальной точке без чрезмерного рассеивания. Короткие импульсы с высокой пиковой мощностью эффективно уменьшают зону термического влияния (HAZ).

Отрегулируйте фокусирующую систему
Выберите линзу с подходящей фокусной длиной и убедитесь, что фокальная точка точно расположена на поверхности материала, чтобы предотвратить рассеивание тепла. Меньший размер пятна уменьшает зону термического влияния.

Увеличьте скорость сканирования
Увеличьте скорость гальванометрических сканеров или XY-столов, чтобы сократить время пребывания лазера и минимизировать локальное накопление тепла.

Маркировка поэтапно или за несколько проходов
Для тёмных или толстых материалов используйте несколько проходов с низкой энергией, чтобы постепенно накапливать тепло без образования чрезмерной зоны термического влияния.

Вспомогательное охлаждение
Используйте обдув воздухом или водяное охлаждение во время маркировки для удаления поверхностного тепла и контроля теплорассеивания.

Выберите подходящую длину волны лазера
Материалы по-разному поглощают различные длины волн. Выбор подходящей длины волны повышает эффективность маркировки и снижает тепловую диффузию, тем самым контролируя зону термического влияния.

Зона термического влияния — это неизбежное явление при лазерной маркировке. Однако, оптимизируя мощность лазера, параметры импульсов, фокусирующую систему, скорость сканирования и применяя меры охлаждения, можно эффективно контролировать размер зоны термического влияния, обеспечивая качество маркировки. Контроль зоны термического влияния не только повышает чёткость и точность маркировки, но и уменьшает деформацию материала и повреждение поверхности, что делает его ключевой технологией для высокоточной лазерной маркировки.