Phương Pháp Kiểm Soát Vùng Nhiệt Ảnh Hưởng Cho Máy Khắc Laser

Máy khắc laser là thiết bị sử dụng chùm tia laser có mật độ năng lượng cao để tạo ra các dấu khắc vĩnh viễn trên bề mặt vật liệu. Trong quá trình khắc, laser sinh nhiệt trên bề mặt vật liệu và khu vực xung quanh, hình thành vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Vùng HAZ có thể gây ra hiện tượng đổi màu, cháy hoặc ứng suất cục bộ, ảnh hưởng đến chất lượng dấu khắc. Bài viết này phân tích vùng HAZ từ ba khía cạnh: cơ chế hình thành, các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát.

1. Cơ Chế Hình Thành Vùng Chịu Ảnh Hưởng Nhiệt

Trong quá trình đánh dấu bằng tia laser, chùm tia laser được tập trung lên bề mặt chi tiết thông qua hệ thống tập trung. Vật liệu hấp thụ năng lượng laser, nhanh chóng tăng nhiệt độ và trải qua hiện tượng bay hơi cục bộ hoặc nóng chảy. Khu vực xung quanh không bị bay hơi hoàn toàn sẽ tăng nhiệt độ do dẫn nhiệt, tạo thành vùng ảnh hưởng bởi nhiệt. Các đặc điểm chính của vùng ảnh hưởng bởi nhiệt bao gồm:

Phụ thuộc vào kích thước điểm: Các điểm laser lớn hơn phân bố nhiệt trên một diện tích rộng hơn, dẫn đến vùng ảnh hưởng bởi nhiệt lớn hơn.

Độ dẫn nhiệt của vật liệu: Các kim loại có độ dẫn nhiệt cao sẽ tản nhiệt nhanh chóng, dẫn đến vùng ảnh hưởng bởi nhiệt lớn hơn, trong khi các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp sẽ giữ nhiệt tại chỗ, dẫn đến vùng ảnh hưởng bởi nhiệt nhỏ hơn.

Năng lượng xung và thời gian: Công suất cao, xung dài hoặc chế độ sóng liên tục có xu hướng làm tăng sự khuếch tán nhiệt.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước vùng ảnh hưởng bởi nhiệt

Công suất laser
Công suất cao hơn dẫn đến hấp thụ năng lượng lớn hơn, tốc độ tăng nhiệt độ bề mặt nhanh hơn và sự khuếch tán nhiệt rộng hơn, làm tăng kích thước vùng ảnh hưởng bởi nhiệt.

Độ rộng xung và tần suất lặp lại
Các laser xung ngắn tập trung năng lượng, giới hạn nhiệt tại điểm tiêu cự và giảm thiểu vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ). Xung dài hoặc tần suất lặp cao có thể tích tụ nhiệt, làm tăng vùng HAZ.

Kích thước điểm chiếu và vị trí tiêu cự
Các điểm chiếu nhỏ và được enfoc đúng cách sẽ tập trung nhiệt, tạo ra các dấu khắc rõ nét. Các điểm lớn hoặc lệch tiêu cự sẽ phân tán nhiệt và làm mở rộng vùng HAZ.

Tốc độ quét
Tốc độ quét chậm khiến laser tác động lâu hơn vào cùng một khu vực, làm tăng tích tụ nhiệt. Tốc độ quét nhanh giúp giảm sự gia tăng nhiệt độ cục bộ và thu nhỏ vùng HAZ.

Thuộc tính vật liệu
Độ dẫn nhiệt, tỷ lệ hấp thụ và điểm nóng chảy của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến sự khuếch tán nhiệt. Ví dụ, nhôm và đồng có độ dẫn nhiệt cao nên vùng HAZ lớn, trong khi nhựa và gốm sứ có vùng HAZ nhỏ hơn.

3. Các phương pháp kiểm soát vùng ảnh hưởng bởi nhiệt

Tối ưu hóa công suất laser và các thông số xung
Điều chỉnh công suất, độ rộng xung và tần suất lặp lại theo tính chất vật liệu để tập trung năng lượng tại điểm tiêu cự mà không bị khuếch tán quá mức. Các xung ngắn với công suất đỉnh cao giúp giảm hiệu quả vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ).

Điều chỉnh hệ thống tập trung
Chọn thấu kính có chiều dài tiêu cự phù hợp và đảm bảo điểm tiêu cự chính xác trên bề mặt vật liệu để ngăn ngừa sự lan tỏa nhiệt. Kích thước điểm nhỏ hơn sẽ làm giảm HAZ.

Tăng tốc độ quét
Tăng tốc độ của các bộ quét galvanometer hoặc bàn dịch XY để giảm thời gian lưu laser, từ đó giảm thiểu tích tụ nhiệt cục bộ.

Đánh dấu từng bước hoặc nhiều lần đi qua
Đối với vật liệu tối màu hoặc dày, hãy sử dụng nhiều lần đi qua với năng lượng thấp để tích lũy nhiệt dần dần mà không tạo ra vùng HAZ quá lớn.

Làm mát phụ trợ
Sử dụng khí thổi hoặc làm mát bằng nước trong quá trình đánh dấu để loại bỏ nhiệt bề mặt và kiểm soát sự khuếch tán nhiệt.

Chọn bước sóng laser phù hợp
Các vật liệu hấp thụ các bước sóng khác nhau theo cách khác nhau. Việc lựa chọn bước sóng phù hợp sẽ cải thiện hiệu suất đánh dấu và giảm khuếch tán nhiệt, từ đó kiểm soát được vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ).

Vùng ảnh hưởng bởi nhiệt là hiện tượng không thể tránh khỏi trong quá trình đánh dấu bằng laser. Tuy nhiên, bằng cách tối ưu hóa công suất laser, thông số xung, hệ thống tập trung, tốc độ quét và áp dụng các biện pháp làm mát, kích thước của vùng HAZ có thể được kiểm soát hiệu quả, đảm bảo chất lượng đánh dấu. Việc kiểm soát vùng HAZ không chỉ cải thiện độ rõ nét và độ chính xác của dấu mà còn giảm biến dạng vật liệu và hư hại bề mặt, trở thành công nghệ then chốt trong đánh dấu laser độ chính xác cao.