激光打标机的频率决定什么(激光打标初探)

Posted 2023-06-01

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激光打标机的频率决定什么(激光打标初探)

激光的發明是一项划时代的成就，对人类社会产生了极其深远的影响。人们把激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“四大发明”。激光亮度高，方向性好，相干性高，单色性好，聚焦后能量可以集中在很小的区域内。自第一台激光器诞生后，人们就开始探索激光在加工领域的应用。激光打标是激光加工领域中最常见的应用之一。激光打标是利用一束高能量密度的激光和物体表面作用，使物体表面发生物理或化学变化，从而在物体表面留下永久标记的一门新兴加工技术。激光打标作为一种现代精密加工方法，与印刷，腐蚀，电火花加工，机械刻划等传统的加工方法相比，具有无与伦比的优势。激光打标通过计算机控制，能够在物体表面打标出各种文字、符号和图案，并且可以通过软件非常容易地设计和更改打标图样和内容，能够大大提高加工效率，适应现代化生产高效率、快节奏的要求。激光打标技术没有与物体发生硬接触的刀头、无切削力，工件不会变形和产生内应力，不会破坏工件，能够广泛应用于各种材料，例如常见金属，聚合物材料，皮革，陶瓷，木材等都可以进行激光打标。聚焦的激光光斑直径非常小，热影响区域小，加工精细，并且雕刻的文字图案有非常强的持久性。采用激光打标技术雕刻出的标记不容易仿制和更改，在一定程度上具有很强的防伪性。激光打标对环境污染小，符合当前的绿色环保的发展潮流。目前，激光打标技术已广泛应用于包装、零件、首饰、电子元件、集成电路芯片、五金工具等众多领域的文字和图形的标记。本文使用扫描振镜激光打标机在几种材料表面进行打标，简要展示激光打标技术。

1 实验仪器

实验采用大恒公司F6S系列扫描振镜光纤激光打标机进行打标。激光打标机主要构成如图1。打标机激光源为掺镱光纤激光器，最大平均光功率为20W，波长为1.0微米，脉冲重复频率为20-80KHz，M2小于2。用于打标的聚焦透镜焦距为160mm，打标线宽为0.02-0.15mm，打标深度为0-0.02mm，雕刻范围为100×100mm2。光纤激光器出射激光经准直后导入扫描振镜，并将激光束入射到扫描振镜系统的两块反射镜上，两个反射镜固定在伺服电机轴上，由计算机控制反射角度，可分别沿X、Y轴扫描，使激光束偏转，以不同方向和角度入射聚焦透镜，以使激光焦点在透镜焦平面上按所需的轨迹运动。位于透镜焦平面处的材料和高能量密度的激光焦点相互作用，材料表面上留下永久的标记。F6S系列激光打标机采用的“大恒新纪元打标系统控制软件”控制打标。该软件采用开放式结构，且兼容性极好，可以接受目前社会上流行的多种软件生成的文件（例如：AutoCAD、CorelDraw等）。当用户配备了图像采集系统（扫描仪、摄像机等）时，对于由它们生成的任何图像、图案，光纤激光打标机均可以处理，极大地方便了用户。

2 激光打标

影响打标效果的因素有很多，如材料的特性，表面光洁度，激光工作方式，激光波长，激光脉宽，激光功率，激光重复频率，扫描速度，离焦量等。尽管制约打标效果的因素很多，却可以根据选用的材料，所使用的激光，通过实验来确定打标参数。例如我们使用的F6S系列扫描振镜光纤激光打标机发出的激光是纳秒级的脉冲激光。该打标记激光功率，扫描速度，重复频率三个参数可调。针对具体材料，我们可以分别扫描这三个参数，得出较优的打标参数范围。

（a）-（d）激光重复频率固定为20kHz，扫描速度固定为500mm/s，激光功率分别为20W，16W，12W，8W，（e）-（h）激光重复频率固定为20kHz，激光功率扫描速度固定为20W，扫描速度分别为400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s，（i）-（l）激光功率固定为20W，扫描速度固定为400mm/s，激光重复频率分别为30kHz，60kHz，90kHz，120kHz。

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我们以不锈钢表面打标为例进行说明。首先将表面去污的不锈钢片放在激光打标机工作台上，通过逐一改变参数来进行三组实验，分别研究扫描速度、功率和重复频率对打标效果的影响。图2是不同参数下，不锈钢表面的打标效果。图2（a）-（d）激光重复频率固定为20kHz，扫描速度固定为500mm/s，激光功率分别为20W，16W，12W，8W的效果。从图2（a）-（d）中可知随着激光功率的降低，字迹逐渐变得不清晰，效果变差。但也激光功率也不宜过高，功率过高，热影响区较大，材料表面被烧蚀严重，表面光滑度下降。图2（e）-（h）是激光重复频率固定为20kHz，激光功率扫描速度固定为20W，扫描速度分别为400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s的效果。扫描速度过快时，激光作用时间比较短，标刻的字迹比较浅，效果不明显。扫描速度过慢也不宜采用，速度过慢，材料表面被烧蚀严重，文字图案会不美观。图2（i）-（l）激光功率固定为20W，扫描速度固定为400mm/s，激光重复频率分别为30kHz，60kHz，90kHz，120kHz的效果。当重复频率升高时，字迹逐渐变淡，这是因为激光器输出功率是一定的，当重复频率增大时，单脉冲能量减小，当低于阈值时，甚至不会在材料表面留下痕迹。综上可见，我们需根据具体材料，通过实验确定合适的参数范围，得出需要打标的效果。此外，纳秒激光和金属相互作用，往往会在金属表面产生各种颜色，这是由于金属和激光作用后在表面形成氧化膜，发生等厚干涉，从而形成人眼所见到的彩色，利用这种特点，往往可以打出具有色彩的文字与图案，扩展了激光打标的应用。激光打标机除了可以在材料表面进行文字打标外，还可以打标各种图案。图3（a）是在不锈钢表面打印的二维码，图中打标的二维码呈现金黄色。图3（b）是在石板上打标的动物图案。图3（c）是在手机壳上打标的人物图案。

亚克力是一种广泛使用的透明材料，具有质轻、价廉，易于成型等优点。它广泛用于仪器仪表零件、汽车车灯、光学镜片、标识招牌等。亚克力激光损伤阈值较低，如使用纳秒脉冲激光打标，高的激光峰值功率会使打标点产生气泡状爆裂点，无法标刻出理想图案。为了在亚克力表面打标出精美图案，可采用连续激光在亚克力表面进行雕刻，避免产生气泡状爆裂。图4为使用连续激光在亚克力表面雕刻的十二生肖图案，图案清晰，没有出现气泡状爆裂点。此外也可选择在透明亚克力板下垫金属板，让打标图案反衬在亚克力板上。激光打标还需充分考虑材料对激光波段的吸收问题，例如木材对我们使用的打标机光源发出的1微米波段激光吸收率很低，所以无法在木材表面打标。10.6微米的二氧化碳激光比较适合竹木材料的打标。如果没有相应波段激光源，可选择在物体表面涂覆对该激光吸收较好的材料粉末，进行应急性小批量打标。例如对1微米波段激光，可在木材表面涂覆碳粉，帮助吸收该波段激光，辅助进行打标。