การวิเคราะห์ความแตกต่างในอัตราการดูดซับความยาวคลื่นของเลเซอร์โดยวัสดุต่างชนิด

ในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ ความสามารถของพลังงานเลเซอร์ที่จะมีผลต่อวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถของวัสดุในการดูดซับความยาวคลื่นของเลเซอร์เฉพาะเจาะจง วัสดุชนิดต่างๆ มีความแตกต่างกันอย่างมากในอัตราการดูดซับที่ความยาวคลื่นที่ต่างกัน และความแตกต่างเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ ความเสถียร และคุณภาพของการตัด เเชื่อม ทำเครื่องหมาย และการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ การเข้าใจลักษณะการดูดซับระหว่างวัสดุกับความยาวคลื่นเป็นพื้นฐานสำหรับการเลือกกระบวนการเลเซอร์และการปรับแต่งพารามิเตอร์

I. ความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างความยาวคลื่นของเลเซอร์กับอัตราการดูดซับ

อัตราการดูดซับเลเซอร์ หมายถึง สัดส่วนของพลังงานเลเซอร์ที่ตกกระทบ ซึ่งถูกดูดซับโดยผิวของวัสดุ โดยปัจจัยที่มีอิทธิพล ได้แก่

ความยาวคลื่นเลเซอร์

โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และลักษณะของตาข่ายผลึกของวัสดุ

สภาพผิว (ความหยาบ พื้นผิวออกไซด์ ชั้นเคลือบ)

มุมตกกระทบและสถานะโพลาไรเซชัน

ในกรณีส่วนใหญ่ อัตราการดูดซึมของวัสดุไม่ใช่ค่าคงที่ แต่จะแปรผันอย่างมากตามความยาวคลื่น ดังนั้นวัสดุชนิดเดียวกันอาจแสดงผลลัพธ์ในการประมวลผลที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนเมื่อถูกกระทำด้วยเลเซอร์ชนิดต่างๆ (เช่น เลเซอร์ CO₂, เลเซอร์ไฟเบอร์, เลเซอร์แสงสีเขียว หรือเลเซอร์อัลตราไวโอเลต)

II. ลักษณะการดูดซึมของความยาวคลื่นเลเซอร์ที่แตกต่างกันสำหรับวัสดุโลหะ
1. โลหะเหล็ก (เหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กสเตนเลส)

โลหะเหล็กมีลักษณะการดูดซึมที่ค่อนข้างคงที่ในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ (ประมาณ 1.06 ไมครอน):

ดูดซึมได้ดีกับเลเซอร์ไฟเบอร์ 1064 นาโนเมตร

มีการถ่ายโอนพลังงานที่ดีกับเลเซอร์ CO₂ ที่ 10.6 ไมครอน

การดูดซึมเพิ่มขึ้นอีกหลังจากผิวเกิดออกซิเดชันหรือหยาบขึ้น

ด้วยเหตุนี้ เลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์ CO₂ จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการตัดและเชื่อมวัสดุเหล็ก

2. โลหะสะท้อนแสงสูง (อลูมิเนียม ทองแดง ทอง เงิน)

โลหะสะท้อนแสงสูงมีการดูดซึมน้อยในช่วงคลื่นอินฟราเรด:

การดูดซับเริ่มต้นต่ำสำหรับเลเซอร์ที่ความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร โดยมีการสะท้อนที่แข็งแรง

การดูดซับสูงขึ้นอย่างมากที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า (แสงสีเขียว 532 นาโนเมตร, แสงสีฟ้า 450 นาโนเมตร)

การดูดซับเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

นี่คือเหตุผลหลักที่ทำให้เลเซอร์สีเขียวและสีฟ้าได้รับการนำมาใช้อย่างรวดเร็วในการเชื่อมทองแดงและการประมวลผลอลูมิเนียมความแม่นยำสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

III. ลักษณะการดูดซับความยาวคลื่นของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ
1. พลาสติกและวัสดุโพลิเมอร์

ลักษณะการดูดซับของพลาสติกมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างโมเลกุลของมัน

พลาสติกส่วนใหญ่มีลักษณะโปร่งใสหรือดูดซับต่ำในช่วงอินฟราเรดใกล้

ดูดซับได้ดีในช่วงอินฟราเรดกลางถึงไกล (10.6 ไมโครเมตร)

ลักษณะการดูดซับสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากโดยการเติมสีหรือสารดูดซับ

ดังนั้น เลเซอร์ CO₂ จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในการตัด เลขานำ และการประมวลผลฟิล์มบางของพลาสติก

2. ไม้ กระดาษ และวัสดุอินทรีย์

วัสดุอินทรีย์โดยทั่วไปมีการดูดซับรังสีเลเซอร์ในช่วงอินฟราเรดได้ดี

ประสิทธิภาพการดูดซับสูงสำหรับเลเซอร์ CO₂

มีแนวโน้มเกิดการสลายตัวทางความร้อน การคาร์บอนไนซ์ และการกลายเป็นไอ

มีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนค่อนข้างใหญ่ระหว่างกระบวนการแปรรูป

วัสดุเหล่านี้เหมาะกับการประมวลผลด้วยเลเซอร์อินฟราเรดกำลังต่ำแบบต่อเนื่องหรือแบบพัลส์

IV. เซรามิก แก้ว และวัสดุโปร่งใส

วัสดุโปร่งใสหรือกึ่งโปร่งใสมีการดูดซับที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นอย่างชัดเจน

การดูดซับต่ำและการส่งผ่านแสงสูงในช่วงอินฟราเรดและแสงที่มองเห็นได้

การดูดซับที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงอัลตราไวโอเลต

เลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นมีแนวโน้มทำให้เกิดการดูดซับหลายโฟตอนได้ง่ายกว่า

ดังนั้น เลเซอร์อัลตราไวโอเลตจึงมีข้อได้เปรียบอย่างชัดเจนในการเจาะกระจกและการประมวลผลเซรามิกแบบความแม่นยำสูง

V. อิทธิพลของพื้นผิววัสดุต่ออัตราการดูดซับ

นอกจากคุณสมบัติภายในของวัสดุแล้ว สภาพพื้นผิวก็มีผลต่อประสิทธิภาพการดูดซับเช่นกัน:

พื้นผิวหยาบดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้ง่ายกว่าพื้นผิวที่เรียบเหมือนกระจก

ชั้นออกไซด์และชั้นเคลือบสามารถลดการสะท้อนกลับได้

สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวอาจเพิ่มการดูดซับเริ่มต้นในบางกระบวนการ

ในการประมวลผลวัสดุที่สะท้อนแสงได้สูง มักใช้การเตรียมพื้นผิวล่วงหน้าเพื่อปรับปรุงการถ่ายโอนพลังงานเลเซอร์

VI. ผลกระทบจากความแตกต่างในการดูดซับต่อการแปรรูปด้วยเลเซอร์

ความแตกต่างของอัตราการดูดซับวัสดุที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ต่างๆ ส่งผลโดยตรงต่อ:

การเลือกประเภทเลเซอร์

ค่ากำลังและค่าความหนาแน่นพลังงาน

ความเร็วและความเสถียรของการประมวลผล

ขนาดของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนและคุณภาพในการขึ้นรูป

โดยการจับคู่วัสดุกับความยาวคลื่นเลเซอร์ที่เหมาะสม จะสามารถลดการใช้พลังงาน ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงคุณภาพการประมวลผลและความปลอดภัยของอุปกรณ์ได้

มีความแตกต่างอย่างมากในอัตราการดูดซับของวัสดุต่างๆ ที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ต่างกัน ซึ่งความแตกต่างเหล่านี้ถูกกำหนดโดยโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ลักษณะการสั่นสะเทือนของโมเลกุล และสภาพผิวของวัสดุ ในการประยุกต์ใช้งานเลเซอร์ การเลือกความยาวคลื่นเลเซอร์ที่สอดคล้องกับลักษณะการดูดซับของวัสดุเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการบรรลุผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพและคุณภาพสูง ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้น ความสามารถในการประมวลผลวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูงและวัสดุโปร่งใสมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง