激光打標(biāo)初探

龍學(xué)文 張順如 諶雄文 鄧曉鵬

【摘 要】激光打標(biāo)是利用高能量密度激光對(duì)物體表面進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生變化，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。本文簡(jiǎn)要介紹了激光打標(biāo)技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，并采用振鏡式光纖激光打標(biāo)機(jī)對(duì)多種材料表面進(jìn)行了激光打標(biāo)，展示了激光打標(biāo)技術(shù)的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】激光打標(biāo)；光纖激光；掃描振鏡

中圖分類號(hào)： TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）28-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.033

【Abstract】Laser marking is a marking method which uses high energy density laser to irradiate the surface of the object， making the surface material vaporize or change， thus leaving permanent marking. This paper briefly introduces the working principle and advantages of laser marking machine technology. Laser marking on the surface of various materials was carried out by using a galvanometer type fiber laser marking machine， showing the superiority of laser marking technology.

【Key words】Laser marking； Fiber laser； Galvanometer

0 引言

激光的發(fā)明是一項(xiàng)劃時(shí)代的成就，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。人們把激光和原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)列在一起，稱為20世紀(jì)的“四大發(fā)明”。激光亮度高，方向性好，相干性高，單色性好，聚焦后能量可以集中在很小的區(qū)域內(nèi)。自第一臺(tái)激光器誕生后，人們就開(kāi)始探索激光在加工領(lǐng)域的應(yīng)用。激光打標(biāo)是激光加工領(lǐng)域中最常見(jiàn)的應(yīng)用之一。激光打標(biāo)是利用一束高能量密度的激光和物體表面作用，使物體表面發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而在物體表面留下永久標(biāo)記的一門新興加工技術(shù)。激光打標(biāo)作為一種現(xiàn)代精密加工方法，與印刷，腐蝕，電火花加工，機(jī)械刻劃等傳統(tǒng)的加工方法相比，具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。激光打標(biāo)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，能夠在物體表面打標(biāo)出各種文字、符號(hào)和圖案，并且可以通過(guò)軟件非常容易地設(shè)計(jì)和更改打標(biāo)圖樣和內(nèi)容，能夠大大提高加工效率，適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)高效率、快節(jié)奏的要求。激光打標(biāo)技術(shù)沒(méi)有與物體發(fā)生硬接觸的刀頭、無(wú)切削力，工件不會(huì)變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，不會(huì)破壞工件，能夠廣泛應(yīng)用于各種材料，例如常見(jiàn)金屬，聚合物材料，皮革，陶瓷，木材等都可以進(jìn)行激光打標(biāo)。聚焦的激光光斑直徑非常小，熱影響區(qū)域小，加工精細(xì)，并且雕刻的文字圖案有非常強(qiáng)的持久性。采用激光打標(biāo)技術(shù)雕刻出的標(biāo)記不容易仿制和更改，在一定程度上具有很強(qiáng)的防偽性。激光打標(biāo)對(duì)環(huán)境污染小，符合當(dāng)前的綠色環(huán)保的發(fā)展潮流。目前，激光打標(biāo)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包裝、零件、首飾、電子元件、集成電路芯片、五金工具等眾多領(lǐng)域的文字和圖形的標(biāo)記。本文使用掃描振鏡激光打標(biāo)機(jī)在幾種材料表面進(jìn)行打標(biāo)，簡(jiǎn)要展示激光打標(biāo)技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用大恒公司F6S系列掃描振鏡光纖激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打標(biāo)。激光打標(biāo)機(jī)主要構(gòu)成如圖1。打標(biāo)機(jī)激光源為摻鐿光纖激光器，最大平均光功率為20W，波長(zhǎng)為1.0微米，脈沖重復(fù)頻率為20-80KHz，M2小于2。用于打標(biāo)的聚焦透鏡焦距為160mm，打標(biāo)線寬為0.02-0.15mm，打標(biāo)深度為0-0.02mm，雕刻范圍為100×100mm2。光纖激光器出射激光經(jīng)準(zhǔn)直后導(dǎo)入掃描振鏡，并將激光束入射到掃描振鏡系統(tǒng)的兩塊反射鏡上，兩個(gè)反射鏡固定在伺服電機(jī)軸上，由計(jì)算機(jī)控制反射角度，可分別沿X、Y軸掃描，使激光束偏轉(zhuǎn)，以不同方向和角度入射聚焦透鏡，以使激光焦點(diǎn)在透鏡焦平面上按所需的軌跡運(yùn)動(dòng)。位于透鏡焦平面處的材料和高能量密度的激光焦點(diǎn)相互作用，材料表面上留下永久的標(biāo)記。F6S系列激光打標(biāo)機(jī)采用的“大恒新紀(jì)元打標(biāo)系統(tǒng)控制軟件”控制打標(biāo)。該軟件采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，且兼容性極好，可以接受目前社會(huì)上流行的多種軟件生成的文件（例如：AutoCAD、CorelDraw等）。當(dāng)用戶配備了圖像采集系統(tǒng)（掃描儀、攝像機(jī)等）時(shí)，對(duì)于由它們生成的任何圖像、圖案，光纖激光打標(biāo)機(jī)均可以處理，極大地方便了用戶。

2 激光打標(biāo)

影響打標(biāo)效果的因素有很多，如材料的特性，表面光潔度，激光工作方式，激光波長(zhǎng)，激光脈寬，激光功率，激光重復(fù)頻率，掃描速度，離焦量等。盡管制約打標(biāo)效果的因素很多，卻可以根據(jù)選用的材料，所使用的激光，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定打標(biāo)參數(shù)。例如我們使用的F6S系列掃描振鏡光纖激光打標(biāo)機(jī)發(fā)出的激光是納秒級(jí)的脈沖激光。該打標(biāo)記激光功率，掃描速度，重復(fù)頻率三個(gè)參數(shù)可調(diào)。針對(duì)具體材料，我們可以分別掃描這三個(gè)參數(shù)，得出較優(yōu)的打標(biāo)參數(shù)范圍。

（a）-（d）激光重復(fù)頻率固定為20kHz，掃描速度固定為500mm/s，激光功率分別為20W，16W，12W，8W，（e）-（h）激光重復(fù)頻率固定為20kHz，激光功率掃描速度固定為20W， 掃描速度分別為400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s，（i）-（l）激光功率固定為20W， 掃描速度固定為400mm/s，激光重復(fù)頻率分別為30kHz，60kHz，90kHz，120kHz。

我們以不銹鋼表面打標(biāo)為例進(jìn)行說(shuō)明。首先將表面去污的不銹鋼片放在激光打標(biāo)機(jī)工作臺(tái)上，通過(guò)逐一改變參數(shù)來(lái)進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，分別研究掃描速度、功率和重復(fù)頻率對(duì)打標(biāo)效果的影響。圖2是不同參數(shù)下，不銹鋼表面的打標(biāo)效果。圖2（a）-（d）激光重復(fù)頻率固定為20kHz，掃描速度固定為500mm/s，激光功率分別為20W，16W，12W，8W的效果。從圖2（a）-（d）中可知隨著激光功率的降低，字跡逐漸變得不清晰，效果變差。但也激光功率也不宜過(guò)高，功率過(guò)高，熱影響區(qū)較大，材料表面被燒蝕嚴(yán)重，表面光滑度下降。圖2（e）-（h）是激光重復(fù)頻率固定為20kHz，激光功率掃描速度固定為20W， 掃描速度分別為400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s的效果。掃描速度過(guò)快時(shí)，激光作用時(shí)間比較短，標(biāo)刻的字跡比較淺，效果不明顯。掃描速度過(guò)慢也不宜采用，速度過(guò)慢，材料表面被燒蝕嚴(yán)重，文字圖案會(huì)不美觀。圖2（i）-（l）激光功率固定為20W， 掃描速度固定為400mm/s，激光重復(fù)頻率分別為30kHz，60kHz，90kHz，120kHz的效果。當(dāng)重復(fù)頻率升高時(shí)，字跡逐漸變淡，這是因?yàn)榧す馄鬏敵龉β适且欢ǖ?，?dāng)重復(fù)頻率增大時(shí)，單脈沖能量減小，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)，甚至不會(huì)在材料表面留下痕跡。綜上可見(jiàn)，我們需根據(jù)具體材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定合適的參數(shù)范圍，得出需要打標(biāo)的效果。此外，納秒激光和金屬相互作用，往往會(huì)在金屬表面產(chǎn)生各種顏色，這是由于金屬和激光作用后在表面形成氧化膜，發(fā)生等厚干涉，從而形成人眼所見(jiàn)到的彩色，利用這種特點(diǎn)，往往可以打出具有色彩的文字與圖案，擴(kuò)展了激光打標(biāo)的應(yīng)用。激光打標(biāo)機(jī)除了可以在材料表面進(jìn)行文字打標(biāo)外，還可以打標(biāo)各種圖案。圖3（a）是在不銹鋼表面打印的二維碼，圖中打標(biāo)的二維碼呈現(xiàn)金黃色。圖3（b）是在石板上打標(biāo)的動(dòng)物圖案。圖3（c）是在手機(jī)殼上打標(biāo)的人物圖案。

亞克力是一種廣泛使用的透明材料，具有質(zhì)輕、價(jià)廉，易于成型等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛用于儀器儀表零件、汽車車燈、光學(xué)鏡片、標(biāo)識(shí)招牌等。亞克力激光損傷閾值較低，如使用納秒脈沖激光打標(biāo)，高的激光峰值功率會(huì)使打標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生氣泡狀爆裂點(diǎn)，無(wú)法標(biāo)刻出理想圖案。為了在亞克力表面打標(biāo)出精美圖案，可采用連續(xù)激光在亞克力表面進(jìn)行雕刻，避免產(chǎn)生氣泡狀爆裂。圖4為使用連續(xù)激光在亞克力表面雕刻的十二生肖圖案，圖案清晰，沒(méi)有出現(xiàn)氣泡狀爆裂點(diǎn)。此外也可選擇在透明亞克力板下墊金屬板，讓打標(biāo)圖案反襯在亞克力板上。激光打標(biāo)還需充分考慮材料對(duì)激光波段的吸收問(wèn)題，例如木材對(duì)我們使用的打標(biāo)機(jī)光源發(fā)出的1微米波段激光吸收率很低，所以無(wú)法在木材表面打標(biāo)。10.6微米的二氧化碳激光比較適合竹木材料的打標(biāo)。如果沒(méi)有相應(yīng)波段激光源，可選擇在物體表面涂覆對(duì)該激光吸收較好的材料粉末，進(jìn)行應(yīng)急性小批量打標(biāo)。例如對(duì)1微米波段激光，可在木材表面涂覆碳粉，幫助吸收該波段激光，輔助進(jìn)行打標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在多種材料上進(jìn)行文字、圖案的激光打標(biāo)，展示了激光打標(biāo)這一新興技術(shù)。激光功率、打標(biāo)速度，激光重復(fù)頻率和激光波長(zhǎng)等是激光打標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)不同材料，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出打標(biāo)參數(shù)，得到較好的打標(biāo)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龍學(xué)文，張順如，楊朋，舒象喜，鄧曉鵬.開(kāi)放型激光加工實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建的研究[J].科技視界，2016（23）：145.

[2]張玉華，陸茵.關(guān)于激光打標(biāo)的原理及發(fā)展的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（5）：33.

[3]劉忠民，張慶茂，郭亮，呂啟濤，楊琨.激光工藝參數(shù)對(duì)打標(biāo)彩色效果的影響[J].中國(guó)激光，2014（4）：129.