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      性能優越的光纖激光打標

      來源:激光網  發布時間:2019-05-13


            當今,幾乎所有產品上都帶有某種形式的標識,標識的內容包括條碼、產品序列號、公司標志以及生產日期等。產品標識除了有助于消費者了解產品信息外,對生產廠家防止假冒、創造品牌效應也有非常重要的作用,所以現在生產廠家對產品標識越來越重視,甚至傳統上不需要有標識的裸裝產品,如雞蛋、蘋果等也已經有帶標識的產品出現。激光打標現已成為產品標識制作的一種常用技術,應用范圍越來越廣泛。隨著激光打標機性能的提高和價格的下降,激光打標也由以前的外加工方式逐漸趨向于廠商擁有自己的激光打標機,未來幾年激光打標機將會面臨市場快速擴張的機遇。激光打標技術已經有20 年以上的歷史,現已穩步占據了一部分曾經被傳統打標技術,如電火花、腐蝕、機械刻劃以及噴墨打印等統治的市場。激光打標能夠逐步取代噴墨打印主要有2 個方面的原因,一是噴墨打印所使用的油墨、顏料及溶劑會引起環境問題,另一方面噴墨打印的持久性也有問題,因為這樣的標記多數都能使用溶劑除去。相比之下,激光打標則能夠在各種材料上產生清晰、持久的標記。所以近年來激光打標逐漸受到用戶的青睞,應用范圍日益廣泛。

            現在,用于激光打標的激光器主要是波長1.06 μm的Nd:YAG和Nd:YVO4 固體激光器。但是,效率和可靠性更高且成本更低的摻Yb光纖激光器已經開始挑戰以上2 種固體激光器的地位。光纖激光器自幾年前步入實用化階段便迅速吸引了人們的注意力。目前,光纖激光器已占所有新生產激光打標設備的20%,并且對激光打標市場的滲透仍在繼續。現在,光纖激光器中用于激光打標的主力機型是脈沖重復頻率<100 kHz的Q開關光纖激光器,它正與常規的Nd:YAG激光器進行激烈的競爭。這種Q開關光纖激光器有固定的、約200ns的脈沖寬度,脈沖峰值功率也不是很高, 但非常適用于一般的打標應用。

            基于由種源進行直接調制的主振蕩器功率放大器(MOPA)的光纖激光器,具有比常規Q 開關激光器更寬的工作范圍。這種激光器具有更高的脈沖峰值功率,并且能夠在更寬的頻率范圍內工作。例如,MOPA光纖激光器在脈沖重復頻率為25 kHz,平均輸出功率為20 W時,脈沖峰值功率可以達到14 kW,工作頻率范圍可以達到1~500 kHz,也可以在連續模式下工作。MOPA光纖激光器的另一個重要特點是可以通過預設脈沖波形來控制脈沖形狀以及脈沖周期,這使激光的脈沖時間長度、脈沖重復頻率和峰值功率能夠在很大程度上得以分別控制。這種Q開關激光器所不具備的靈活性及更大的參數調節范圍,使MOPA光纖激光器具有更多的功能,能夠對多種材料進行打標。

            通常,能夠進行激光打標的材料是多種多樣的,金屬、塑料、陶瓷甚至是有機材料都可以進行激光打標,能否打標主要取決于材料對入射激光的吸收情況。可用于激光打標的激光器種類很多,包括波長10.6 μm的氣體激光器(CO2 激光器);波長1.06μm的Nd:YAG和Nd:YVO4固體激光器、摻Yb光纖激光器;倍頻YAG和YVO4固體激光器;波長在可見光及紫外波段的準分子激光器等。不同的材料對激光的吸收波段是有差別的。金屬對于波長為10.6 μm的激光具有很高的反射率,因此對金屬材料進行打標最好選用波長為1.06 μm的激光器;而相比之下,玻璃對波長1.06 μm的光是透明的,因此最好使用波長為10.6 μm的激光器或紫外波段的激光器。除波長外,還有幾個決定激光器打標能力的關鍵參數,它們分別是:脈沖能量、脈沖時間長度、脈沖重復頻率、脈沖峰值功率和平均功率。

            激光與材料的相互作用時存在一個閾值功率,只有激光功率達到該閾值,物理加工才能開始進行。激光打標的閾值功率一般在kW 量級。對于高反射率表面或難于進行加工的材料而言,脈沖峰值功率需要達到10 kW 以上的水平。不過對于大多數材料的打標應用,幾千瓦的脈沖峰值功率即可滿足需要。另一個關鍵的參數是脈沖能量,一般為mJ量級。脈沖時間長度也是一個很重要的特性,因為它決定了與材料進行熱作用的時間,對標識的質量有顯著的影響。通常情況下需要的脈沖時間長度在10~200 ns 之間。脈沖頻率是指每秒的脈沖數量(單位為Hz),典型的激光打標系統的工作頻率范圍為20~80 kHz。平均功率由脈沖能量和脈沖頻率決定,平均功率值代表激光器所能提供的總能量。

           金屬在打標材料中占很大的比例,如陽極氧化鋁、不銹鋼、銅以及鈦等。對鋁、黃銅以及銅這樣的高反射材料進行打標,需要很高的脈沖峰值功率以及足夠高的功率密度,高峰值能量下的激光打標速度可以達到500 mm/s。陽極氧化鋁表面有深色的氧化物膜,這種膜對紅外輻射的吸收較高,因此實際上需要的功率密度較低,打標速度可以達到2 m/s 。要達到上述打標速度,需要較高的脈沖重復頻率,因為如果速度太快而脈沖重疊不夠,會導致標識線條粗糙而不連貫;較高的脈沖頻率則可以增加脈沖重疊度,使標識線條均勻平滑。光纖激光器的工作頻率可以超過100 kHz,這也是其應用于打標領域的優勢所在。在不銹鋼材料上進行退火型打標,得到的標識是清晰的黑色標識而且在加工過程中無任何材料被去除。現在這種打標工藝已廣泛應用于304不銹鋼制品之上。

           彩色打標是新近出現的激光打標工藝。對不銹鋼、鉻、鈦等金屬材料通過激光脈沖照射提供可控而精確的熱注入時,能夠產生色彩繽紛的氧化物,因此,可以用激光來使金屬表面某一區域具有不同的顏色從而得到彩色標識。研究發現,實現金屬表面彩色化的關鍵在于嚴格控制激光的脈沖能量和脈沖寬度。高頻、低脈沖能量的激光器比較適于該項應用,而由于具有可調節的脈沖參數及良好的光束質量,光纖激光器是最合適的選擇。通過嚴格控制熱量注入,光纖激光器能夠在金屬表面打色彩豐富的標識。當激光脈沖重復頻率超過125 kHz時,得到的顏色更深,而這種重復頻率是其它激光器無法達到的。彩色激光打標對工件材質要求相對較高,對激光性的穩定性要求嚴格,如果出光不穩定,標識出來的顏色也會不均勻,材料不是純304鋼,也會出現顏色不均勻,所以都是相對的。

            在塑料和高分子材料上打標是激光打標,涉及到的材料范圍非常廣泛。除了基底材料本身外,還涉及到多種多樣的填料、增塑劑和色素等,這些都可能會影響到打標的結果。現在有一些紅外吸收材料,它們在塑料基底材料中的少量添加能夠顯著提高激光的打標能力。在不同種類的聚合物材料上打標時,并不一定總是要求高脈沖能量,實際上高脈沖能量反而很可能是有害的。舉例來說,在對制造輕便剛性模壓制品的熱塑性樹脂和ABS (丙烯腈、丁二烯、苯乙烯) 進行打標時,如果脈沖能量較高,雖然打出的標識具有很高的對比度,但同時粗糙度也很高;而如果使用較低的脈沖能量,通過提高脈沖重復頻率以得到等效的平均功率來進行打標,與高脈沖能量相比,卻能在保持相同對比度的情況下得到表面光滑的標識。脈沖能量過高還可能會使打標區域熔化,反過來導致標識的對比度降低。光纖激光器的參數調節范圍很寬,因此可以為特定的情況設置最適合的參數。例如,對熱敏材料進行打標時,有能力將工作頻率設置為<10 kHz的光纖激光器就具有特殊的優勢。

           光纖激光打標技術的另一個重要的市場是在電子工業中取代噴墨打標技術。在電子工業中,噴墨打標技術主要用于集成電路封裝打標。集成電路封裝材料主要是一些樹脂類灌封材料,因為制造商對于標識對比度都有特別的要求,因此在激光打標時需要仔細的進行參數的調節。當使用的激光脈沖重復頻率<100 kHz 時,打出的標識表面很粗糙,其深度可達20 μm,之而產生的問題就是當視角不同時,標識的對比度會變差。而使用高脈沖頻率,如500 kHz 的光纖激光器,就可以避免這樣的問題。通過高脈沖頻率的光纖激光器打出的標識對比度好,表面光滑,線條深度<5 μm,從而消除了視角問題。

           雖然有多種類型的激光器適用于激光打標,但光纖激光器多方面的優越性使其更具有競爭力。許多激光打標系統的經營者都希望可以使用同一套系統對多種材料進行打標,現在這個要求可以通過新型MOPA光纖激光器得到充分的滿足。MOPA光纖激光器可以在大范圍內調節脈沖能量、周期以及頻率,使用戶具有更大的操作自由從而能夠在多種材料上制作出完美的標識。雖然在幾年前光纖激光器就已經有了工業應用,但實際上到了2007年光纖激光器才開始"爆炸"性地發展。隨著時間的推移,光纖激光器在激光打標市場中必將占據越來越大的份額。打標速度快、適應性強以及免維護操作等優點使光纖激光打標機迅速成為塑料及金屬材料打標的第一選擇。

           光纖激光打標機可加工產品:

      五金工具:刀、剪、鉗、錘、螺絲批、扳手、木工鑿等;
      量具、刃具:鉆頭、鋸片、絲錐、硬質合金工具、車刀、鋼尺、銑刀等;
      機械配件:齒輪、軸承、閥門、鋼管、管接頭、緊固件、儀表元件、工業零配件、絲桿、氣動元件、醫療器械、不銹鋼標牌/銘牌、面板等;
      廚衛五金:水龍頭、灶具、脫排煙機、水槽、食品加工設備等;
      民用產品:不銹鋼杯、壺、餐具、鐘表、眼鏡、文具、紀念品、鎖具、鋼木家具等;
      適用金屬種類:幾乎包括任何表面導電的金屬,如果非金屬表面鍍金屬層也可以
      碳鋼、馬鋼、合金鋼、高速鋼、不銹鋼、硬質合金、鋁合金、銅等;
      各種表面鍍鉻、鍍鎳、鍍鋅、鍍黑鈦、煮黑等材料;
      各種噴砂、拋光、磨削、拉絲金屬表面等。

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