Có nhiều loại laser trên thị trường hiện nay, mỗi loại có các tính năng, thông số kỹ thuật và mức độ tích hợp riêng, khiến quá trình lựa chọn trở nên khó khăn. Khi lựa chọn laser để xử lý vật liệu, điều quan trọng là phải hiểu được sự khác biệt và lợi ích của từng tùy chọn.
Bài viết này cung cấp cho người đọc hiểu biết về hệ thống laser, các loại laser phổ biến và cách chọn nguồn laser công nghiệp phù hợp để xử lý vật liệu.
Mục lục
Thị trường laser công nghiệp toàn cầu
Nguồn laser công nghiệp là gì?
Các tính năng cần cân nhắc khi lựa chọn nguồn laser
Điểm mấu chốt
Thị trường laser công nghiệp toàn cầu
Thị trường laser công nghiệp được định giá ở mức USD 17.3 tỷ đô la vào năm 2021 và dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 7.2% để đạt 34.8 tỷ đô la vào năm 2030. Một chùm sáng được tạo ra bởi một hệ thống laser công nghiệp sử dụng phát xạ kích thích cho nhiều mục đích khác nhau trong ngành điện tử, ô tô, y tế và các ngành công nghiệp khác. Laser chủ yếu được sử dụng để hàn, dán nhãn, khắc, cắt, hàn và đánh dấu.
Nhu cầu ngày càng tăng về hiệu quả, năng suất và độ chính xác đã dẫn đến sự phát triển của công nghiệp laserHơn nữa, nhu cầu gia tăng về xử lý vật liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau và quá trình chuyển đổi của ngành công nghiệp ô tô sang xe điện sẽ thúc đẩy doanh số bán hàng trong tương lai.
Nguồn laser công nghiệp là gì?
Laser có nhiều thành phần và tính năng khác nhau tạo ra chùm ánh sáng mạnh, mạch lạc thông qua quá trình khuếch đại quang học. Có nhiều loại laser, mỗi loại có mức độ tích hợp khác nhau. Tất cả những laserTuy nhiên, chia sẻ một bộ thành phần cơ bản.
Nguồn năng lượng cho mỗi tia laser hướng ánh sáng vào môi trường khuếch đại. Môi trường khuếch đại này phát ra bước sóng ánh sáng cụ thể và một bộ cộng hưởng khuếch đại độ khuếch đại quang học này thông qua gương.
Trước khi đi sâu vào thông số cụ thể của nguồn laser, chúng ta hãy cùng xem xét một số loại laser phổ biến nhất:
Laser thể rắn: Là nguồn chính của sự khuếch đại quang học, các tia laser này dựa vào kính rắn hoặc tinh thể trộn với các nguyên tố đất khác. Thông thường, các nguyên tố hỗn hợp này là erbi, thuli, crom hoặc ytterbi. Các tia laser trạng thái rắn phổ biến nhất tia laser trong ứng dụng chế biến công nghiệp là ruby và Nd:YAG.
Tia laser khí: Bằng cách sử dụng một kỹ thuật được gọi là đảo ngược dân số, dòng điện được truyền qua khí trong các tia laser này để tạo ra ánh sáng. Carbon dioxide (CO2), argon, krypton và heli-neon là các tia laser khí phổ biến nhất. CO2 laser là lựa chọn phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi để hàn, cắt và đánh dấu bằng laser.
Laser sợi: Laser sợi quang có kích thước hẹp hơn và nhỏ hơn tia laser chùm tia hơn các loại laser khác, khiến chúng chính xác hơn trong các ứng dụng xử lý vật liệu. Chúng có diện tích nhỏ, tiết kiệm năng lượng và có chi phí vận hành và bảo trì thấp. Laser sợi quang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng làm sạch, hàn, cắt và đánh dấu.
Các tính năng cần cân nhắc khi lựa chọn nguồn laser
Bước đầu tiên là xác định loại laser tùy thuộc vào ứng dụng laser. Sau khi quyết định loại laser, người ta phải chỉ định các thông số của nó, bao gồm công suất, kích thước và bước sóng của chùm tia và chi phí bảo trì.
Bước sóng của chùm tia laser
Việc kiểm tra bước sóng của chùm tia laser để xử lý vật liệu là rất quan trọng vì các vật liệu khác nhau có tỷ lệ hấp thụ khác nhau ở các bước sóng khác nhau. Một quy tắc được chấp nhận rộng rãi là chùm tia laser có bước sóng 1064 nm của laser Nd:YAG được hấp thụ tốt bởi thép và nhôm, trong khi bước sóng 10600 nm tia laser chùm tia laser carbon dioxide (CO2) được hấp thụ tốt bởi vải, nhựa, da, gỗ và giấy.
Hai nguồn laser phổ biến nhất hiện nay là CO2 và sợi quang, tùy thuộc vào các thành phần được trộn vào sợi quang. Laser CO2 có thể tạo ra chùm tia laser ở 10600, 10300 hoặc 930 nm, tùy thuộc vào thành phần khí. Điều quan trọng là phải khớp bước sóng của nguồn laser với vật liệu cần xử lý để đảm bảo hoạt động laser hiệu quả.
Chi phí bảo trì
Trước đây, laser CO2 ống thủy tinh và laser Nd:YAG bơm bằng đèn rất phổ biến, nhưng nguồn bơm của chúng, tức là đèn hồ quang hoặc ống thủy tinh chứa khí phải được thay thế định kỳ. Cứ sau 500 đến 1000 giờ làm việc, người dùng phải dừng máy và thay ống hoặc đèn. Hơn nữa, laser CO2 thế hệ cũ laser yêu cầu luồng khí liên tục chảy qua bộ cộng hưởng, dẫn đến chi phí vận hành cao.
Tuy nhiên, nhờ công nghệ tiên tiến, sợi laser, sự lựa chọn phổ biến nhất hiện nay, chiếm 80% thị phần, hoàn toàn không cần bảo trì. Chúng có tuổi thọ cao và thiết kế bộ cộng hưởng laser độc đáo trong đó tất cả quang học đều là một phần của cáp quang liên tục hiệu quả.
Công suất và kích thước tiêu điểm
Chùm tia laser có thể được gửi qua một quang học hội tụ trong khi được xung ở các độ dài khác nhau. Khi chùm tia tiếp xúc với phôi, nó co lại về kích thước, hiệu quả là hội tụ một lượng lớn năng lượng vào một khu vực nhỏ. Tuy nhiên, đầu ra của tia laser không thể giảm xuống kích thước nhỏ hơn bước sóng của nó, cũng như đầu ra chất lượng thấp không thể tạo ra điểm hội tụ chất lượng cao. Ví dụ, CO2 tia laser không thể giảm điểm hội tụ xuống dưới 10600 nm, đòi hỏi chùm tia và quang học gần như hoàn hảo để hoàn thành nhiệm vụ.
Do đó, trong khi kích thước điểm là một cân nhắc quan trọng, nó không phải là bắt buộc đối với tất cả các ứng dụng, chẳng hạn như làm sạch bề mặt bằng laser, Hàn laservà thiêu kết bậc thang, đòi hỏi kích thước điểm lớn hơn để đảm bảo hiệu suất.
Vật liệu gia công bằng laser
Vì các vật liệu khác nhau có tốc độ xử lý khác nhau, nên phải xem xét các đặc tính của vật liệu khi lựa chọn nguồn laser phù hợp. Các vật liệu phù hợp nhất để đánh dấu, khắc và cắt laser CO2 bao gồm nhựa, bọt, vải, cao su, giấy, thủy tinh, đá gốm, thép, titan, gỗ và vật liệu composite. Các vật liệu có điểm nóng chảy cực cao lý tưởng là không phù hợp với laser CO2 dưới 200 W.
Tia laser sợi quang phù hợp với nhiều loại vật liệu, bao gồm acetal đen, acrylic, PTFE và nhựa có chứa chất độn, chất tạo màu hoặc chất phụ gia tiếp nhận tia laser.
Phương thức hoạt động
Laser CW (sóng liên tục)
Điều quan trọng là phải biết liệu laser là liên tục hay xung. Công suất trung bình của laser CW được đo bằng kW hoặc nW. Trước khi chọn cảm biến cho CW laser, phạm vi công suất trung bình phải được xác định. Phạm vi này sẽ xác định lựa chọn cảm biến phù hợp. Ví dụ, nếu phạm vi quá rộng, sẽ cần một cảm biến thứ hai. Do đó, việc chọn một cảm biến có phạm vi gần với phạm vi yêu cầu—không phải ở mức cao hay thấp, mà ở mức trung bình—có thể dẫn đến kết quả đọc sai nếu phạm vi vượt quá theo bất kỳ hướng nào.
Để chọn cảm biến phù hợp, cần phải xem xét thời gian phơi sáng của chùm tia laser CW. Nếu chỉ cần đo định kỳ, một cảm biến có thời gian phơi sáng đủ dài để có được số đọc ổn định, tức là hàng chục giây, là đủ—tốt nhất là một cảm biến nhỏ hơn và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, nếu tia laser phải tiếp xúc với cảm biến điện trong thời gian dài, cần có cảm biến lớn hơn để tản nhiệt có thể ảnh hưởng đến phép đo.
Tia laser xung
Giống như laser CW, các yêu cầu về phạm vi năng lượng cho các cảm biến phải được xác định. Người dùng phải xác định xung mỗi giây (PPS) hoặc tốc độ xung của laser để xác định xem cảm biến năng lượng có thể được sử dụng cho một ứng dụng cụ thể hay không. Hầu hết các cảm biến năng lượng hoạt động ở tần số từ 1hz đến 5 kHz, với các cảm biến tiên tiến hoạt động ở tần số lên đến 25 kHz.
Một yếu tố khác cần xem xét với xung laser là độ rộng xung. Thông số kỹ thuật này có tác động đáng kể đến ngưỡng hư hỏng của cảm biến được chọn. Ví dụ, nếu độ rộng xung quá ngắn, mật độ năng lượng có thể vượt quá định mức của cảm biến. Nếu quá dài, mạch của cảm biến có thể không có đủ thời gian tích hợp, dẫn đến hoạt động bị lỗi.
Điểm mấu chốt
Việc lựa chọn nguồn laser phù hợp là điều cần thiết để tối đa hóa năng suất và nâng cao độ chính xác. Bài viết này cung cấp một số thông tin chi tiết về nguồn laser và các tính năng. Truy cập AliExpress để xem các thiết bị laser mới nhất cho các ứng dụng công nghiệp.
