Metódy riadenia tepelne ovplyvnenej zóny pre laserové gravírovacie stroje

Stroj na laserové značenie je zariadenie, ktoré využíva lúč s vysokou hustotou energie na vytváranie trvalých značiek na povrchu materiálov. Počas procesu značenia generuje laser teplo na povrchu materiálu a v jeho okolí, čím vzniká tepelne ovplyvnená zóna (HAZ). Táto zóna môže spôsobiť zmeny farby, spáleniny alebo lokálne napätie, čo negatívne ovplyvňuje kvalitu značenia. Tento článok analyzuje HAZ z troch hľadísk: mechanizmus vzniku, vplyvové faktory a metódy riadenia.

1. Mechanizmus vzniku tepelne ovplyvnenej zóny

Pri laserovom značení je lúč lasera sústredený na povrch obrobku prostredníctvom sústavy na zaostrovanie. Materiál pohlcuje laserovú energiu, rýchlo sa ohrieva a lokálne sublimuje alebo topí. Okolitá oblasť, ktorá sa úplne neodparila, sa ohrieva v dôsledku tepelného vedenia, čím vzniká tepelne ovplyvnená zóna. Kľúčové vlastnosti tejto zóny zahŕňajú:

Závislosť od veľkosti lúča: väčšie laserové fľaky rozdeľujú teplo na širšej ploche, čo vedie k väčšej tepelne ovplyvnenej zóne.

Tepelná vodivosť materiálu: kovy s vysokou tepelnou vodivosťou rýchlo rozvádzajú teplo, čo má za následok väčšiu tepelne ovplyvnenú zónu, zatiaľ čo materiály s nízkou tepelnou vodivosťou teplo lokalizujú, čo vytvára menšiu tepelne ovplyvnenú zónu.

Pulzná energia a trvanie: vysoký výkon, dlhé impulzy alebo nepretržitý režim (CW) zvyšujú difúziu tepla.

2. Faktory ovplyvňujúce veľkosť tepelne ovplyvnenej zóny

Výkon lasera
Vyšší výkon spôsobuje väčšie pohlcovanie energie, rýchlejší nárast povrchovej teploty a širšiu difúziu tepla, čím zväčšuje tepelne ovplyvnenú zónu.

Šírka impulzu a frekvencia opakovania
Laserové zariadenia so skratkými impulzmi sústredia energiu, pričom obmedzujú teplo na ohniskový bod a minimalizujú tak tepelne ovplyvnenú zónu. Dlhšie impulzy alebo vysoká frekvencia opakovania môžu spôsobiť hromadenie tepla, čo zväčšuje tepelne ovplyvnenú zónu.

Veľkosť lichobežníka a poloha zaostrenia
Malé a presne zaostrené lichobežníky sústredia teplo, čím vytvoria jasné značky. Veľké lichobežníky alebo nesprávne zaostrenie rozptyľujú teplo a zväčšujú tepelne ovplyvnenú zónu.

Skenovacia rychlost
Pomalé skenovanie spôsobí, že laser bude dlhšie pôsobiť na rovnakom mieste, čo zvyšuje hromadenie tepla. Rýchlejšie skenovanie znižuje lokálne zvýšenie teploty a zmenšuje tepelne ovplyvnenú zónu.

Materiálové vlastnosti
Tepelná vodivosť, absorpčná rýchlosť a teplota topenia materiálu priamo ovplyvňujú šírenie tepla. Napríklad hliník a meď majú vysokú tepelnú vodivosť a veľkú tepelne ovplyvnenú zónu, zatiaľ čo plasty a keramika majú menšiu tepelne ovplyvnenú zónu.

3. Metódy na riadenie tepelne ovplyvnenej zóny

Optimalizujte laserový výkon a parametre impulzov
Nastavte výkon, dĺžku impulzu a frekvenciu opakovania podľa vlastností materiálu tak, aby sa energia sústredila do ohniska bez nadmerného rozptylu. Krátke impulzy s vysokým špičkovým výkonom efektívne znižujú HAZ.

Nastavte systém zaostrenia
Vyberte objektív vhodnej ohnivej vzdialenosti a uistite sa, že ohniskový bod je presne na povrchu materiálu, aby sa zabránilo rozptylu tepla. Menšie veľkosti lôžka znižujú HAZ.

Zvýšte rýchlosť skenovania
Zvýšte rýchlosť galvanometrických skenerov alebo XY stupňov, aby ste skrátili dobu pôsobenia lasera a minimalizovali hromadenie tepla v miestnej oblasti.

Značenie po krokoch alebo viacerými prechodmi
Pri tmavých alebo hrubých materiáloch použite viacero prechodov s nízkou energiou, aby sa teplo postupne hromadilo bez vytvorenia nadmerného HAZ.

Prídavné chladenie
Počas značenia použite fúkanie vzduchu alebo vodné chladenie na odstránenie povrchového tepla a kontrolu šírenia tepla.

Vyberte vhodnú vlnovú dĺžku lasera
Rôzne materiály absorbujú rôzne vlnové dĺžky odlišne. Výber vhodnej vlnovej dĺžky zvyšuje účinnosť značenia a zníži tepelnú difúziu, čím sa riadi zóna tepelného vplyvu (HAZ).

Zóna tepelného vplyvu je nevyhnutným javom pri laserovom značení. Avšak optimalizáciou laserovej energie, impulzných parametrov, fokusovacieho systému, rýchlosti skenovania a použitím chladiacich opatrení je možné efektívne riadiť veľkosť HAZ a zabezpečiť kvalitu značenia. Riadenie HAZ nielen zvyšuje jasnosť a presnosť značenia, ale tiež zníži deformáciu materiálu a poškodenie povrchu, čo ho robí kľúčovou technológiou pre vysokopresné laserové značenie.