Технология лазерной абляции и ее промышленное применение

• Технология лазерной абляции
• Параметры лазерной абляции
• Преимущества лазерной абляции
• Промышленное применение абляции лазером
•   Лазерная очистка
•   Лазерная маркировка
•   Лазерное травление и гравировка
 

Технология лазерной абляции

Технология абляции заключается в проникновении лазера на поверхность материала в зависимости от длины волны и показателя преломления материала мишени. Высокое электрическое поле, создаваемое лазерным излучением, достаточно для удаления электронов из объемного образца. Сгенерированный свободный электрон сталкивается с атомами основного образца, при этом происходит передача энергии. Это приводит к нагреву поверхности, за которым следует испарение. Когда поток лазерного излучения достаточно высок, материал переходит в состояние плазмы, включая атомы, молекулы, ионы. Лазерная абляция происходит либо в вакууме, либо в газовой среде.

Используемый в различных промышленных областях, этот процесс может создавать постоянные метки (лазерная маркировка), удалять загрязнения и покрытия с поверхностей (лазерная очистка), изменять шероховатость детали (лазерное текстурирование), прорезать поверхность оптоволоконным резаком (лазерная резка) и многое другое.

Он был изобретен в 1958 году, когда Гордон Гулд предложил метод Q-switching для получения импульсных лазерных лучей. Импульсные лазеры могут достигать высокой пиковой мощности необходимой для удаления материала.

В современной обрабатывающей промышленности для генерации лазерной абляции широко используются лазерные системы на CO2 и волоконных лазерах. Хотя эти лазеры используются с разными материалами, они генерируют лазерную абляцию одинаково. У всех материалов есть порог абляции. Это свойство уникально для каждого материала. Когда интенсивность, создаваемая лазером, выше порога абляции материала, происходит абляция материала. Но если интенсивность ниже порога абляции, ничего не происходит, кроме небольшого повышения температуры.

Материалы, которые выжигаются на поверхности, испаряются в виде паров. Хотя эти испарения минимальны, обычно требуется система вытяжки дыма вблизи лазера, чтобы избежать их скопления и препятствования световому лучу.

Параметры лазерной абляции

Регулируя параметры абляции, лазерные специалисты могут оптимизировать лазерный процесс для различных применений. Ниже приведены наиболее важные параметры лазера, которые необходимо учитывать.

Длина волны

Когда лазерное излучение попадает на поверхность, оно частично отражается, частично поглощается. Поглощенная энергия лазера преобразуется в тепло, которое аблирует материал.

Поскольку у них разные источники лазерного излучения, каждый тип лазера излучает волны разной длины. Следует отдать предпочтение лазеру, излучающему длину волны, которая меньше всего отражается от материала. Волоконные лазеры, например, более эффективно работают с металлами, тогда как CO2-лазер - с пластмассами, древесиной и другими органическими материалами.

Рис. 2. Лазерная абляция твердых тел в жидкости

Диаметр луча

Чем больше диаметр сфокусированного луча, тем больше рассеивается лазерная энергия, вплоть до того момента, когда лазерная абляция становится невозможной и начинается лазерная сварка. Уменьшая диаметр луча (также известный как размер пятна), можно передать больше энергии на меньшую площадь, создавая тем самым более энергоэффективную абляцию.

Качество луча

Качество луча (также известное как M2) измеряет, насколько хорошо лазерный луч может быть сфокусирован. Чем ближе лазерный луч к M2=1, тем более эффективным будет лазер для абляции.

Лучи с высоким коэффициентом M2 расфокусированы и не способны генерировать высокую энергию, необходимую для абляции. Однако они часто идеально подходят для лазерной сварки.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние - это место, где лазерный луч фокусируется на целевой области, что позволяет получать высококачественные результаты.

Оно может быть изменено с помощью различных фокусирующих оптических устройств или, в некоторых случаях, с помощью 3D-головок. Эти головки могут быть оснащены датчиками, которые автоматически регулируют фокусное расстояние на детали, чтобы всегда получать оптимальные результаты.

Мощность лазера

Мощность выражаемая в ваттах - это средняя мощность лазерного луча.

Импульсный лазер мощностью 100 Вт может достигать пиков высокой энергии в 10 000 Вт, но его средняя мощность в течение времени все еще составляет 100 Вт. И наоборот, 1000-ваттный лазер с непрерывной волной постоянно генерирует 1000 Вт мощности, но не более. Лазеры с непрерывным режимом как излучают непрерывную лазерную энергию без значительного изменения амплитуды. Они менее результативны в передаче тепла только в целевую область и также нагревают окружающую область. Это делает их пригодными для лазерной сварки.

Импульсные лазеры являются предпочтительными инструментами для абляции материалов из-за их более высокой пиковой мощности. Поверхности можно обрабатывать быстрее, если увеличить среднюю мощность. При работе на очень высокой частоте лазеры в импульсном режиме могут выполнять точные операции с минимальной зоной теплового воздействия. Это делает их пригодными для лазерной абляции термочувствительных материалов.

Рис. 3. Схема работы лазерной абляции

Длина импульса

Длина импульса, также известная как длительность импульса или ширина импульса, - это время между началом и концом импульса. Она может быть выражена в микросекундах (одна миллионная доля секунды), наносекундах (одна миллиардная), пикосекундах (одна триллионная) или фемтосекундах (одна квадриллионная).

Короткие импульсы могут достигать высоких энергетических пиков, необходимых для большинства лазерных приложений. Ограничивая тепловые эффекты, они также предотвращают нежелательное плавление. Волоконные лазеры обычно генерируют короткие импульсы длительностью 100 нс или 125 нс.

Частота повторения импульсов

Частота повторения импульсов (также известная как частота импульсов) - это количество импульсов в секунду. Например, для 100-ваттных импульсных лазеров установлено 100 000 импульсов в секунду, каждый из которых содержит 1 мДж энергии. 50-ваттные лазеры имеют номинальную частоту повторения 50 000 импульсов в секунду.

Увеличение числа импульсов в секунду уменьшает количество энергии в импульсе. 50-ваттный лазер может генерировать 100 000 импульсов в секунду вместо 50 000, но каждый импульс будет содержать 0,5 мДж вместо 1. Если энергия на импульс слишком мала, абляция материалов будет невозможна.

Скорость сканирования

Скорость сканирования - это скорость, с которой зеркала вращаются в лазере для перемещения лазерного луча. Чем быстрее они вращаются, тем выше скорость сканирования. Этот параметр используется для изменения интервала между импульсами и, следовательно, для управления распределением энергии. Лазерный станок портального типа имеет сравнительно более медленную скорость сканирования, так как  для позиционирования лазера требуются перемещения портальной системы.

Промежуток между импульсами

Промежуток между импульсами напрямую зависит от скорости сканирования. Если лазерные импульсы расположены ближе друг к другу, на одну и ту же область направляется больше энергии. Расстояние между импульсами используется для аблирования материалов различными способами. Например, лазерная гравировка требует очень узкого интервала между импульсами для глубокого проникновения в материал. Частота импульсов - это скорость, с которой импульсы испускаются лазерным модулем. Чем выше частота пульсаций, тем больше энергии передается в точку.

Количество проходов

Для аблирования материала обычно достаточно одного прохода лазера. Это происходит при травлении или удалении краски с поверхности. В некоторых случаях несколько проходов лазера дают лучшие результаты, поскольку позволяют избежать перегрева области. Это происходит при гравировке глубоких меток в материале или при удалении толстых слоев окалины с поверхности. При лазерной резке изделия используется метод многочисленных проходов и маломощный лазер для выполнения сквозных пропилов.

Преимущества лазерной абляции

• Лазерная абляция является бесконтактным процессом, который работает без расходных материалов. Лазер не требует особого обслуживания и помогает снизить расходы;
• Высокая эффективность и качество получаемого изделия. Другие методы удаления ржавчины не позволяют достигнуть столь высокого результата;
• Абляция заменяет технологии в которых используются химикаты, абразивные материалы и другие виды расходных материалов, она также помогает производителям уменьшить воздействие на окружающую среду и соответствовать нормам охраны окружающей среды;
• Лазерную абляцию легко автоматизировать, что делает ее оптимальным выбором для производственных линий и позволяет многим производителям сократить ручной труд.

Промышленное применение абляции лазером

Лазерная очистка

Лазерная очистка может удалять тонкие пленки таких материалов, как ржавчина, оксид и краска с поверхностей путем разрушения химической связи, удерживающей их вместе. Лазерная очистка металла от ржавчины производится при помощи абляции – импульсного излучения, вызывающего испарение оксидной пленки. Она «приподнимается» над поверхностью в форме плазменного облака и рассасывается. Абляция происходит на границе двух фаз: газообразной и конденсированной – и начинается благодаря резкому перепаду температур (оборудование нагревает основание до +16500 градусов).

Рис. 4. Результат лазерной очистки

Каждый материал имеет порог абляции. Поскольку порог абляции ржавчины, краски и оксида ниже, чем у металлов, параметры лазера могут быть установлены таким образом, чтобы высокоинтенсивный луч разрушал их, не затрагивая основной материал.

Для испарения загрязнений и покрытий с металлов обычно требуется лазер высокой мощности (100 Вт и более).  

Лазерная маркировка

Лазер создает постоянную маркировку на поверхности деталей. Она часто используется для обеспечения прослеживаемости деталей путем создания таких идентификаторов, как матричные коды, QR-коды, буквенно-цифровые символы и серийные номера. Она также используется для идентификации продукции с помощью логотипов. Лазерная маркировка может быть выполнена на большинстве металлов, некоторых пластмассах, а также других органических материалах.

Рис. 5. Процесс нанесения лазерной маркировки 

Лазерное травление и гравировка

Для типичных штрих-кодов абляция выполняется в пределах 100 микрон от поверхности, но глубокая гравировка может использоваться и для более глубокого проникновения.

Линзы с более коротким фокусным расстоянием (например, 2-дюймовые линзы) предназначены для лазерной гравировки или резки тонких деталей за один проход. Линзы с более длинным фокусным расстоянием (например, 4-дюймовые линзы) лучше подходят для резки плотных материалов.

Не во всех процессах лазерной гравировки используется лазерная абляция. Лазерный отжиг, например, не аблирует материалы, он маркирует металлы, такие как нержавеющая сталь, вызывая изменение цвета под поверхностью, что сохраняет коррозионную стойкость материала.