Analys av skillnader i absorptionstakter för laservåglängder hos olika material

Vid laserbearbetning beror det på om laserenergin effektivt kan verka på ett material, på materialets förmåga att absorbera en specifik laservåglängd. Olika material visar signifikanta skillnader i absorptionstakt vid olika våglängder, och dessa skillnader påverkar direkt effektiviteten, stabiliteten och bearbetningskvaliteten vid laserskärning, svetsning, märkning och rengöring. Att förstå sambandet mellan material och våglängdsabsorption är grunden för val av laserprocess och parameteroptimering.

I. Grundläggande samband mellan laserlängd och absorptionstakt

Laserabsorptionstakt avser andelen av infallande laserenergi som absorberas av en materialyta. Den påverkas av följande faktorer:

Laservåglängd

Materialets elektronstruktur och gitteregenskaper

Ytillstånd (ytråhet, oxidskikt, beläggningar)

Infallsvinkel och polarisationsstatus

I de flesta fall är ett materials absorptionshastighet inte ett fast värde utan varierar betydligt med våglängd. Därför kan samma material visa mycket olika bearbetningsresultat när det utsätts för olika typer av laserstrålar (såsom CO₂-, fiber-, grön- eller ultraviolett laser).

II. Absorptionsegenskaper för olika laser våglängder hos metallmaterial
1. Järnhaltiga metaller (kolstål, rostfritt stål)

Järnhaltiga metaller visar relativt stabil absorption i det nära infraröda bandet (runt 1,06 μm):

Hög absorption för 1064 nm fiberlaser

Bra energikoppling med 10,6 μm CO₂-laser

Ytterligare ökad absorption efter ytoxidering eller ytråhet

Därför används fiberlaser och CO₂-laser omfattande för skärning och svetsning av stålmateriel.

2. Högreflekterande metaller (aluminium, koppar, guld, silver)

Högreflekterande metaller har låg absorption i det infraröda bandet:

Låg initial absorption för 1064 nm-laser, med stark reflektion

Betydligt högre absorption vid kortare våglängder (grön 532 nm, blå 450 nm)

Absorptionen ökar dynamiskt med stigande temperatur

Detta är huvudorsaken till att gröna och blå laser har antagits snabbt inom kopplingsvetsning och precisionsbearbetning av aluminium under de senaste åren.

III. Våglängdsabsorptionsegenskaper hos icke-metalliska material
1. Plaster och polymera material

Plasternas absorptionsegenskaper hänger nära ihop med deras molekylära struktur:

De flesta plaster är transparenta eller svagt absorberande i det nära infraröda området

Hög absorption i det mellersta till långa infraröda området (10,6 μm)

Absorptionsegenskaperna kan förändras avsevärt genom tillsats av pigment eller absorberande ämnen

Därför används CO₂-laserer mycket för skärning, märkning och behandling av tunna filmer i plast.

2. Trä, papper och organiska material

Organiska material uppvisar generellt hög absorption för infraröda laserstrålar:

Hög absorptionseffektivitet för CO₂-laserer

Benägna för termisk nedbrytning, karbonisering och förångning

Relativt stora värmepåverkade zoner under bearbetningen

Dessa material är lämpliga för bearbetning med låg-effekt kontinuerliga eller pulserade infraröda laserstrålar.

IV. Keramik, glas och transparenta material

Transparenta eller halvtransparenta material visar stark beroende av våglängd när det gäller absorption:

Låg absorption och hög transmittans inom infraröda och synliga våglängdsområden

Betydligt ökad absorption inom ultraviolett området

Kortvåglaser inducerar mer lätt flerfotonsabsorption

Som resultat har ultraviolett laser tydliga fördelar vid borrning i glas och precision bearbetning av keramik

V. Inverkan av materialytan på absorptionstakten

Förutom inneboende material egenskaper påverkar också ytans tillstånd absorptionseffektiviteten:

Ojämna ytor absorberar laserenergi lättare än spegelblanka ytor

Oxidskikt och beläggningar kan minska reflektiviteten

Ytföroreningar kan öka initial absorptionen i vissa processer

Vid bearbetning av högreffektiva material används ofta ytlig förbehandling för att förbättra kopplingen av laserenergi

VI. Inverkan av absorptionsskillnader på laserbearbetning

Skillnader i materialabsorptionshastigheter vid olika laservåglängder påverkar direkt:

Val av lasertyp

Effekt- och energitäthetsinställningar

Bearbetningshastighet och stabilitet

Storlek på värmepåverkade zonen och formningskvalitet

Genom att korrekt anpassa materialet till en lämplig laser våglängd kan det vara möjligt att minska energiförbrukningen samtidigt som bearbetningskvaliteten och utrustningssäkerheten förbättras.

Det finns betydande skillnader i absorptionshastigheten hos olika material vid olika laser våglängder. Dessa skillnader bestäms av materialets elektronstruktur, molekylära vibrationskarakteristik och ytillstånd. I laserbearbetningsapplikationer är valet av en laser våglängd som matchar materialets absorptionskarakteristik nyckeln till att uppnå hög effektivitet och hög kvalitet. Med utvecklingen av kortvågslaser-teknologier förbättras bearbetningsmöjligheterna för starkt reflekterande och genomskinliga material ständigt.