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    性能优越的光纤激光打标

    来源:激光网  发布时间:2019-05-13


          当今,几乎所有产品上都带有某种形式的标识,标识的内容包括条码、产品序列号、公司标志以及生产日期等。产品标识除了有助于消费者了解产品信息外,对生产厂家防止假冒、创造品牌效应也有非常重要的作用,所以现在生产厂家对产品标识越来越重视,甚至传统上不需要有标识的裸装产品,如鸡蛋、苹果等也已经有带标识的产品出现。激光打标现已成为产品标识制作的一种常用技术,应用范围越来越广泛。随着激光打标机性能的提高和价格的下降,激光打标也由以前的外加工方式逐渐趋向于厂商拥有自己的激光打标机,未来几年激光打标机将会面临市场快速扩张的机遇。激光打标技术已经有20 年以上的历史,现已稳步占据了一部分曾经被传统打标技术,如电火花、腐蚀、机械刻划以及喷墨打印等统治的市场。激光打标能够逐步取代喷墨打印主要有2 个方面的原因,一是喷墨打印所使用的油墨、颜料及溶剂会引起环境问题,另一方面喷墨打印的持久性也有问题,因为这样的标记多数都能使用溶剂除去。相比之下,激光打标则能够在各种材料上产生清晰、持久的标记。所以近年来激光打标逐渐受到用户的青睐,应用范围日益广泛。

          现在,用于激光打标的激光器主要是波长1.06 μm的Nd:YAG和Nd:YVO4 固体激光器。但是,效率和可靠性更高且成本更低的掺Yb光纤激光器已经开始挑战以上2 种固体激光器的地位。光纤激光器自几年前步入实用化阶段便迅速吸引了人们的注意力。目前,光纤激光器已占所有新生产激光打标设备的20%,并且对激光打标市场的渗透仍在继续。现在,光纤激光器中用于激光打标的主力机型是脉冲重复频率<100 kHz的Q开关光纤激光器,它正与常规的Nd:YAG激光器进行激烈的竞争。这种Q开关光纤激光器有固定的、约200ns的脉冲宽度,脉冲峰值功率也不是很高, 但非常适用于一般的打标应用。

          基于由种源进行直接调制的主振荡器功率放大器(MOPA)的光纤激光器,具有比常规Q 开关激光器更宽的工作范围。这种激光器具有更高的脉冲峰值功率,并且能够在更宽的频率范围内工作。例如,MOPA光纤激光器在脉冲重复频率为25 kHz,平均输出功率为20 W时,脉冲峰值功率可以达到14 kW,工作频率范围可以达到1~500 kHz,也可以在连续模式下工作。MOPA光纤激光器的另一个重要特点是可以通过预设脉冲波形来控制脉冲形状以及脉冲周期,这使激光的脉冲时间长度、脉冲重复频率和峰值功率能够在很大程度上得以分别控制。这种Q开关激光器所不具备的灵活性及更大的参数调节范围,使MOPA光纤激光器具有更多的功能,能够对多种材料进行打标。

          通常,能够进行激光打标的材料是多种多样的,金属、塑料、陶瓷甚至是有机材料都可以进行激光打标,能否打标主要取决于材料对入射激光的吸收情况??捎糜诩す獯虮甑募す馄髦掷嗪芏?,包括波长10.6 μm的气体激光器(CO2 激光器);波长1.06μm的Nd:YAG和Nd:YVO4固体激光器、掺Yb光纤激光器;倍频YAG和YVO4固体激光器;波长在可见光及紫外波段的准分子激光器等。不同的材料对激光的吸收波段是有差别的。金属对于波长为10.6 μm的激光具有很高的反射率,因此对金属材料进行打标最好选用波长为1.06 μm的激光器;而相比之下,玻璃对波长1.06 μm的光是透明的,因此最好使用波长为10.6 μm的激光器或紫外波段的激光器。除波长外,还有几个决定激光器打标能力的关键参数,它们分别是:脉冲能量、脉冲时间长度、脉冲重复频率、脉冲峰值功率和平均功率。

          激光与材料的相互作用时存在一个阈值功率,只有激光功率达到该阈值,物理加工才能开始进行。激光打标的阈值功率一般在kW 量级。对于高反射率表面或难于进行加工的材料而言,脉冲峰值功率需要达到10 kW 以上的水平。不过对于大多数材料的打标应用,几千瓦的脉冲峰值功率即可满足需要。另一个关键的参数是脉冲能量,一般为mJ量级。脉冲时间长度也是一个很重要的特性,因为它决定了与材料进行热作用的时间,对标识的质量有显著的影响。通常情况下需要的脉冲时间长度在10~200 ns 之间。脉冲频率是指每秒的脉冲数量(单位为Hz),典型的激光打标系统的工作频率范围为20~80 kHz。平均功率由脉冲能量和脉冲频率决定,平均功率值代表激光器所能提供的总能量。

         金属在打标材料中占很大的比例,如阳极氧化铝、不锈钢、铜以及钛等。对铝、黄铜以及铜这样的高反射材料进行打标,需要很高的脉冲峰值功率以及足够高的功率密度,高峰值能量下的激光打标速度可以达到500 mm/s。阳极氧化铝表面有深色的氧化物膜,这种膜对红外辐射的吸收较高,因此实际上需要的功率密度较低,打标速度可以达到2 m/s 。要达到上述打标速度,需要较高的脉冲重复频率,因为如果速度太快而脉冲重叠不够,会导致标识线条粗糙而不连贯;较高的脉冲频率则可以增加脉冲重叠度,使标识线条均匀平滑。光纤激光器的工作频率可以超过100 kHz,这也是其应用于打标领域的优势所在。在不锈钢材料上进行退火型打标,得到的标识是清晰的黑色标识而且在加工过程中无任何材料被去除。现在这种打标工艺已广泛应用于304不锈钢制品之上。

         彩色打标是新近出现的激光打标工艺。对不锈钢、铬、钛等金属材料通过激光脉冲照射提供可控而精确的热注入时,能够产生色彩缤纷的氧化物,因此,可以用激光来使金属表面某一区域具有不同的颜色从而得到彩色标识。研究发现,实现金属表面彩色化的关键在于严格控制激光的脉冲能量和脉冲宽度。高频、低脉冲能量的激光器比较适于该项应用,而由于具有可调节的脉冲参数及良好的光束质量,光纤激光器是最合适的选择。通过严格控制热量注入,光纤激光器能够在金属表面打色彩丰富的标识。当激光脉冲重复频率超过125 kHz时,得到的颜色更深,而这种重复频率是其它激光器无法达到的。彩色激光打标对工件材质要求相对较高,对激光性的稳定性要求严格,如果出光不稳定,标识出来的颜色也会不均匀,材料不是纯304钢,也会出现颜色不均匀,所以都是相对的。

          在塑料和高分子材料上打标是激光打标,涉及到的材料范围非常广泛。除了基底材料本身外,还涉及到多种多样的填料、增塑剂和色素等,这些都可能会影响到打标的结果。现在有一些红外吸收材料,它们在塑料基底材料中的少量添加能够显著提高激光的打标能力。在不同种类的聚合物材料上打标时,并不一定总是要求高脉冲能量,实际上高脉冲能量反而很可能是有害的。举例来说,在对制造轻便刚性模压制品的热塑性树脂和ABS (丙烯腈、丁二烯、苯乙烯) 进行打标时,如果脉冲能量较高,虽然打出的标识具有很高的对比度,但同时粗糙度也很高;而如果使用较低的脉冲能量,通过提高脉冲重复频率以得到等效的平均功率来进行打标,与高脉冲能量相比,却能在保持相同对比度的情况下得到表面光滑的标识。脉冲能量过高还可能会使打标区域熔化,反过来导致标识的对比度降低。光纤激光器的参数调节范围很宽,因此可以为特定的情况设置最适合的参数。例如,对热敏材料进行打标时,有能力将工作频率设置为<10 kHz的光纤激光器就具有特殊的优势。

         光纤激光打标技术的另一个重要的市场是在电子工业中取代喷墨打标技术。在电子工业中,喷墨打标技术主要用于集成电路封装打标。集成电路封装材料主要是一些树脂类灌封材料,因为制造商对于标识对比度都有特别的要求,因此在激光打标时需要仔细的进行参数的调节。当使用的激光脉冲重复频率<100 kHz 时,打出的标识表面很粗糙,其深度可达20 μm,之而产生的问题就是当视角不同时,标识的对比度会变差。而使用高脉冲频率,如500 kHz 的光纤激光器,就可以避免这样的问题。通过高脉冲频率的光纤激光器打出的标识对比度好,表面光滑,线条深度<5 μm,从而消除了视角问题。

         虽然有多种类型的激光器适用于激光打标,但光纤激光器多方面的优越性使其更具有竞争力。许多激光打标系统的经营者都希望可以使用同一套系统对多种材料进行打标,现在这个要求可以通过新型MOPA光纤激光器得到充分的满足。MOPA光纤激光器可以在大范围内调节脉冲能量、周期以及频率,使用户具有更大的操作自由从而能够在多种材料上制作出完美的标识。虽然在几年前光纤激光器就已经有了工业应用,但实际上到了2007年光纤激光器才开始"爆炸"性地发展。随着时间的推移,光纤激光器在激光打标市场中必将占据越来越大的份额。打标速度快、适应性强以及免维护操作等优点使光纤激光打标机迅速成为塑料及金属材料打标的第一选择。

         光纤激光打标机可加工产品:

    五金工具:刀、剪、钳、锤、螺丝批、扳手、木工凿等;
    量具、刃具:钻头、锯片、丝锥、硬质合金工具、车刀、钢尺、铣刀等;
    机械配件:齿轮、轴承、阀门、钢管、管接头、紧固件、仪表元件、工业零配件、丝杆、气动元件、医疗器械、不锈钢标牌/铭牌、面板等;
    厨卫五金:水龙头、灶具、脱排烟机、水槽、食品加工设备等;
    民用产品:不锈钢杯、壶、餐具、钟表、眼镜、文具、纪念品、锁具、钢木家具等;
    适用金属种类:几乎包括任何表面导电的金属,如果非金属表面镀金属层也可以
    碳钢、马钢、合金钢、高速钢、不锈钢、硬质合金、铝合金、铜等;
    各种表面镀铬、镀镍、镀锌、镀黑钛、煮黑等材料;
    各种喷砂、抛光、磨削、拉丝金属表面等。

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