加工參數對表面激光標刻質量影響的試驗研究

趙團團，姜開宇，周惟一

大連理工大學機械工程學院（遼寧大連 116024）

1 引言

激光打標是通過控制激光器發(fā)出高能量密度的激光束使工件表層材料瞬間氣化蒸發(fā)露出基體材料，或者使其表層材料發(fā)生化學物理反應，從而留下永久性標記的一種標刻方法。激光打標同其他打標方式相比，應用范圍更廣，可以在多種材料上打上永久高質量的標記，且標刻過程無接觸，工件表面不受力，不產生機械變形，適合一些需求精細、精度要求較高的產品加工。目前激光打標系統(tǒng)充分采用精密機械部件和計算機控制軟件，形成整套完整的自動化加工設備，可靠性強，穩(wěn)定度好，生產效率高。

對標刻質量產生影響的因素有很多，工藝參數有掃描速度、激光功率、重復頻率、加工次數、填充、開光延時、關光延時、結束延時、拐角延時等，上述參數是密切聯(lián)系的，因此在打標的時候一定要綜合考慮。填充這里主要是指填充類型、填充角度和填充線間距，3個參數都是根據實際標刻的效果進行設置和更改。填充類型包括單向填充、雙向填充、環(huán)形填充和優(yōu)化雙向填充。

對激光標刻質量產生影響的一個重要因素就是激光標刻系統(tǒng)的參數設置。隨著激光標刻系統(tǒng)在生產中的廣泛應用，對激光標刻的要求越來越高，對標刻的圖形和字符的標刻質量的要求也是越來越高。必須使標刻系統(tǒng)的參數設置達到最優(yōu)化，才能得到穩(wěn)定良好精美的標刻效果，所以對激光標刻過程中的參數設置進行優(yōu)化分析。

當加工圖案較小且加工精度要求更高，僅依靠調整掃描速度、激光功率、重復頻率3個加工參數，試件的加工質量還是很難保證，所以本文就延時參數、輪廓相關參數、填充相關參數對表面加工質量的影響展開探討。

2 試驗方法與條件

2.1 試件及試驗設備

此次加工試驗的研究對象為基體為陶瓷，表層材料為鋁的近似錐形件?；w厚度為2mm，外鍍鋁層厚度為0.03mm。加工單元為Y形中間連接單元，圖1是Y形單元的模型圖，單元具體尺寸如下：a=0.15mm，b=0.56mm，三臂呈等角分布，間隔120°，是等臂長的中心連接單元。

圖1 加工單元

本文選用由所在課題組自行搭建的激光伺服加工系統(tǒng)，所選用的振鏡式光纖激光器的相關技術參數如表1所示。其余各部分傳動精度參數如下：伺服電機的重復定位精度為1轉/10000脈沖信號，滾珠絲杠的重復定位精度為±0.03mm，光電限位開關的重復定位精度為±0.015mm。

表1 激光器相關技術參數

2.2 加工質量表征方法

目前研究者對激光加工單元質量的表征：一類是線性長度表征，例如圖形的長度、寬度等，這種方法相對簡單，測量時需要借助精度較高的顯微鏡，但這種評價標準弊端太大，未考慮到整體位置的成型質量，也就是加工圖形的輪廓位置精度，導致所得結果精度不可靠；另一種評估指標是基于面積比，如透光率為單個加工圖形單元中光透過部分的面積與理論設計單元的面積。雖透光率能夠揭示激光加工過程中焦化、顆粒黏著、材料去除不干凈（加工不徹底）等問題，但是測量手段一定程度上容易受限，不可避免的產生測量誤差。再者，這種方法只考慮到了加工單元的面積，卻忽略了單元面積一定時，輪廓形狀的多樣性，即同一面積比會對應有多種不同的截面圖形形狀。

待試件加工完畢后，使用型號為VTM-3020F的數字式影像工具顯微鏡對單元輪廓點進行測量并記錄數據，測量的儀器如圖2所示。其中數字式影像工具顯微鏡的測量精度為±0.001mm。并采用該設備對激光加工后的試件單元加工質量進行檢測評估，記錄各單元加工形貌，主要通過觀察試件表層加工圖形材料是否去除徹底、有無金屬顆粒黏著、輪廓是否有毛刺、輪廓是否清晰來判斷加工質量的好壞。

圖2 數字式影像工具顯微鏡

為了分析不同加工參數下單元加工質量并保證選取樣點的均勻性，選取A、B、C、D、E、F、G、H、I（單元輪廓點）9個測量位置，如圖3所示。用50倍的放大倍數依次測量打標圖形的9個位置。

圖3 加工圖形及測量位置點

均方根差是實際加工圖形輪廓線上各點橫縱坐標相對于理論圖形輪廓線上相同位置橫縱坐標之差的均方根，計算式為：

式中 Xi——實際輪廓曲線上的第i點的橫坐標

Yi——實際輪廓曲線上的第i點的縱坐標

利用Matlab編程計算理論輪廓位置與實際輪廓位置均方根差并繪制成圖。若ERMS越小，則檢測位置的實際輪廓與理論輪廓越接近，實際加工圖形完整度越高，畸變越小，也即加工質量越好。所以本文采用均方根差法可以很好地表征加工質量。

3 加工實驗

鑒于影響激光標刻質量的因素有很多，特別是在掃描速度、激光功率、重復頻率、脈寬方面做了大量的研究工作，獲得了一些研究成果和加工經驗，而對延時參數、輪廓相關參數和填充相關參數的研究少之又少，且它們對加工質量的影響不能忽略。所以對鋁鍍層試件，主要研究了延時參數、輪廓相關參數和填充相關參數對加工質量的影響。

考慮到多因素實驗無法比擬的優(yōu)點，實驗效率高，可以考察參數交互作用，更有利于干擾變量的控制以及更接近現實情形，所以本文采用多因素參數實驗。參數的設置值是基于廠家提供的初始值和前期加工實驗的積累。

3.1 延時參數設置分析

首先將影響標刻質量的掃描速度、激光功率、重復頻率等參數均設置為標刻最佳狀態(tài)，不能影響對延時參數的影響判斷。因此設置打標機的掃描速度為1,100mm/s、功率（%）2、重復頻率20.5KHz。在該參數設置和標刻軌跡下，試件表層的圖案標刻質量較好。在標刻界面，調整各延時參數。并選用工具顯微鏡記錄數據和標刻軌跡制作均方根差圖，如圖4所示。對比分析標刻質量，選出加工質量最好的加工形貌和各延時參數最佳設置值。

圖4 延時參數下均方根

由于每個樣件上會有數以百計，甚至成千上萬的加工圖形，為排除干擾因素的影響，保證測量結果的準確性，因此僅測量同一加工位置的同幾個加工圖形。本次實驗的研究對象為試件表層的前10個加工圖形。為了盡可能直觀表示各參數組合下的加工質量和方便曲線圖的繪制，以單元序號為橫坐標，與此對應的單元均方根差ERMS為縱坐標。

由圖4明顯可以看出，關光延時參數設置較大，對應的單元均方根差ERMS越小，比如第三組和第九組。第三組延時參數組合下的均方根要小于第五組的，且第三組藍色基本維持在0.1，所有單元變化一致性高。從工具顯微鏡中放大的不同延時參數組合的標刻痕跡中選出加工質量較好的加工形貌，第三組和第五組，如圖5所示。對比單元加工形貌，拐角延時參數設置適中，單元輪廓圓角較小，對加工質量影響較大。

圖5 標刻圖形形貌

設置適當的關光延時參數可以去除在標刻完畢時出現的不閉合現象，但如果關光延時設置太大會導致結束段出現“火柴頭”；而設置適當的拐角延時參數可以去除在標刻拐角出現的圓角現象，但如果拐角延時設置太大會導致標刻時間增加，且拐角處會出現重點現象。

綜上，確定開光延時-200、關光延時300、結束延時400、拐角延時200為延時參數最優(yōu)組合。

3.2 輪廓相關參數設置分析

首先按照上面分析得到的延時參數最優(yōu)組合，設置開光延時-200、關光延時300、結束延時400、拐角延時200。然后設置輪廓相關參數8種組合，輪廓相關參數在標刻界面勾選，填充相關參數默認，并記錄相應的標刻痕跡制作均方根圖如圖6所示。S代表使能輪廓，D代表對象整體計算，R代表繞邊走一次。

圖6 輪廓相關參數下均方根

由圖6可以看出，使能輪廓組合下的均方根ERMS跳動較大，也即在該條件下各加工圖案位置精度一致性不高，說明圖形加工對使能輪廓較敏感。第六組均方根ERMS較第七組偏大約0.004，且整體變化趨勢類似。使能輪廓和繞邊走一次均會使加工單元輪廓變大，不同的是前者可以減少單元輪廓毛刺，后者則使單元輪廓平滑規(guī)整，避免波浪形輪廓出現。從工具顯微鏡中放大的不同輪廓相關參數組合的標刻痕跡中選出加工質量較好的加工形貌，第六組和第七組，如圖5所示。綜上，確定使能輪廓和繞邊走一次為輪廓相關參數最優(yōu)組合。

3.3 填充相關參數設置分析

首先按照上面分析得到的延時參數和輪廓相關參數最優(yōu)組合，設置開光延時-200、關光延時300、結束延時400、拐角延時200、勾選使能輪廓和繞邊走一次。然后設置線間距和填充類型8種組合，同樣也是在標刻界面進行選擇和修改，并記錄相應的數據和標刻痕跡制作均方根圖如圖7所示。h代表環(huán)型填充，d代表單向填充，s代表雙向填充，y代表優(yōu)化雙向填充。

圖7 填充參數下均方根

由圖7可以看出，這組實驗均方根差ERMS分層較大，但整體均方根都偏小，最小的均方根ERMS接近0.025，在很大程度上反映了參數優(yōu)化作用顯著。環(huán)型填充下，線間距越小，對應均方根差ERMS也越小，加工質量也越好；單向填充下，線間距越大，對應均方根差ERMS越小，加工質量越好；雙向填充下，線間距大小對均方根差影響較弱，兩者加工質量不分伯仲；優(yōu)化雙向填充下，線間距越小，對應均方根差ERMS越小，加工質量越好。而線間距0.01mm時，顯然單向填充加工效果更好；線間距0.005mm時，顯然環(huán)型填充和優(yōu)化雙向填充加工效果更好。

從工具顯微鏡中放大的不同輪廓相關參數組合的標刻痕跡中選出加工質量較好的加工形貌，第五組和第八組，如圖5所示。綜上，確定線間距0.005mm、環(huán)型填充或者線間距0.005mm、優(yōu)化雙向填充為填充相關參數最優(yōu)組合。

4 結論

通過上述實驗分析得出，在激光標刻過程中，除了常用的掃描速度、出光功率、重復頻率等對標刻質量有影響外，開光延時、關光延時、結束延時、拐角延時的延時參數、使能輪廓、繞標走一次、對象整體計算的輪廓相關參數以及線間距、填充類型的填充參數均對加工質量有影響。首先延時參數中關光延時和拐角延時對加工質量影響較大，關光延時設置太大會導致結束段出現“火柴頭”，而設置適當的拐角延時參數可以去除在標刻拐角出現的圓角現象，但如果拐角延時設置太大會導致標刻時間增加，且拐角處會出現重點現象。其次輪廓相關參數中使能輪廓和繞邊走一次對加工質量產生影響較大，前者能夠減少加工毛刺，后者避免出現波浪線輪廓。最后填充相關參數中，對加工質量影響最大的是線間距，合理的線間距可以使材料在規(guī)定的時間內去除干凈且加工缺陷較少。

經過合理設置對比分析，優(yōu)化得到最優(yōu)參數設置為延時參數（開光延時-200、關光延時300、結束延時400、拐角延時200）、輪廓相關參數（勾選使能輪廓、繞邊走一次）以及填充相關參數（線間距0.005mm、環(huán)型填充或優(yōu)化雙向填充）。