多年來(lái)，激光打標(biāo)幾乎“入侵”到各種制造業(yè)中。在性能和機(jī)器成本方面，激光打標(biāo)技術(shù)更是突飛猛進(jìn)。本文著重介紹了脈沖固體激光打標(biāo)技術(shù)和應(yīng)用。連續(xù)波固體激光器很少用于打標(biāo)。二氧化碳激光器廣泛應(yīng)用于有機(jī)材料（比如木材、皮革等）的包裝打標(biāo)。與固體激光器應(yīng)用相比，二氧化碳激光器可應(yīng)用于低對(duì)比度、工作面積更大的打標(biāo)。固體激光器和二氧化碳激光器的應(yīng)用并沒(méi)有明顯的重疊之處。
許多人都同意這一觀點(diǎn)：汽車的馬力越大，車速也就越快。這種觀點(diǎn)非常簡(jiǎn)單，但不幸地是并不正確，也許還有其他更重要的因素。是不是還要考慮汽車的重量和牽引輪胎質(zhì)量？一臺(tái)馬力稍遜的汽車很有可能在車速上會(huì)超過(guò)其他車。激光打標(biāo)也會(huì)有同樣的情況，要為當(dāng)前的任務(wù)選擇合適的激光器，對(duì)于激光器來(lái)說(shuō)，要考慮的參數(shù)不是馬力而是功率。其他要考慮的因素還有脈沖頻率、脈沖寬度和峰值頻率。
圖1、在不銹鋼上進(jìn)行脈沖重疊雕刻。
激光打標(biāo)首先應(yīng)該考慮客戶的需求。人們通常需要在打標(biāo)質(zhì)量、打標(biāo)時(shí)間以及打標(biāo)深度三者之間進(jìn)行權(quán)衡。打標(biāo)所花費(fèi)的時(shí)間和打標(biāo)深度很容易量化。然而對(duì)于打標(biāo)質(zhì)量來(lái)說(shuō)，每一個(gè)客戶都有不同的期望，客戶考慮的因素有：色彩對(duì)比、邊緣質(zhì)量（銳利、潔凈、筆直、毛刺）、表面光潔度、線寬、分辨率、曲面上打標(biāo)的一致性、抗劃傷性（僅對(duì)塑料而言）、熱影響區(qū)域（HAZ）以及脈沖到脈沖的穩(wěn)定性，這還僅僅是列出了一部分因素。除了打標(biāo)技術(shù)規(guī)范，一些客戶還要求打標(biāo)方法具備多用性，比如要求能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行打標(biāo)，或者對(duì)同一種材料進(jìn)行重復(fù)打標(biāo)。
由于需求的復(fù)雜性，目前不存在一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則適用于所有應(yīng)用——因?yàn)槊恳环N應(yīng)用都不相同?？s小參數(shù)范圍的唯一方法就是詳細(xì)了解不同激光打標(biāo)技術(shù)的優(yōu)劣，才有可能找到適合特定需求的激光器。一個(gè)應(yīng)用的最終檢驗(yàn)總是在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)由專業(yè)人士完成。當(dāng)前使用的激光打標(biāo)類型有三種：Nd:YAG（棒激光器）、Nd:YVO4（棒激光器）以及光纖激光器。Nd:YAG已經(jīng)幾乎完全被二極管泵浦激光器技術(shù)所取代。高性能YAG和釩酸鹽激光器是水冷式的，但在性能稍低時(shí)也可以是風(fēng)冷的。大多數(shù)光纖激光器也是如此。假定在同時(shí)采用最先進(jìn)設(shè)計(jì)的情況下，就耗材、電源要求和泵浦二極管壽命而言，YAG、釩酸鹽和光纖激光器的運(yùn)行成本幾乎完全一樣。因此，客戶可以選擇適合他們應(yīng)用需求的激光器，而不用考慮成本問(wèn)題。
表1、激光打標(biāo)系統(tǒng)的典型參數(shù)
在金屬上進(jìn)行雕刻要求材料能夠熔化和蒸發(fā)。這一工藝可以這樣解釋：平均激光功率用來(lái)熔化材料，峰值功率用來(lái)蒸發(fā)材料。達(dá)到最佳雕刻率有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，就是正好有足夠多的已熔化材料能在有效峰值功率下被蒸發(fā)。如果已熔化材料過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致雕刻率下降以及過(guò)多的再鑄材料和毛刺。如果已熔化材料不足而峰值功率充足，會(huì)導(dǎo)致雕刻率下降。只有在高峰值功率下，才能在一些陶瓷和塑料上打出精密的高對(duì)比度標(biāo)記。
所有的固體激光打標(biāo)系統(tǒng)都是納秒級(jí)激光器。Nd:YAG激光器通常是10到150納秒，釩酸鹽激光器是5到30納秒。這兩種激光器的脈沖寬度會(huì)隨著頻率的增加而變長(zhǎng)。光纖激光器的脈沖寬度或是固定在100納秒范圍內(nèi)，或是通過(guò)使用主振蕩光纖功率放大器（MOFPA）設(shè)計(jì)，從而讓脈沖寬度在10到200納秒間變動(dòng)。脈沖寬度影響到材料的熱穿透深度。短脈沖是靈敏型應(yīng)用的理想選擇，例如對(duì)油墨層做晝夜不間斷的潔凈燒蝕，以及對(duì)低熱影響區(qū)域（HAZ）的金屬打標(biāo)。這種應(yīng)用的一種例子就是在航空航天工業(yè)中的應(yīng)力部件上打標(biāo)。對(duì)于塑料來(lái)說(shuō)，沒(méi)有通用的規(guī)則，有些適合長(zhǎng)脈沖，有些適合短脈沖。
圖2、Nd:YAG和釩酸鹽激光器的典型頻率特性。
光束質(zhì)量的度量標(biāo)準(zhǔn)是M2。M2值越小，光束質(zhì)量越高，當(dāng)M2=1時(shí)，激光光束是最理想的。如果激光的光束質(zhì)量好，那么激光聚焦的光斑尺寸就越小，從而能量密度就越高，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高能量密度是理想的選擇，甚至是必需的。還有兩種效應(yīng)與光束質(zhì)量有關(guān)：
● 第一種是標(biāo)記區(qū)域尺寸。標(biāo)記區(qū)域越大，光斑尺寸越大。要想在獲取最大標(biāo)記區(qū)域的同時(shí)將光斑尺寸控制在一個(gè)合理的范圍，必須有好的光束質(zhì)量。
● 第二種是聚焦深度。光束質(zhì)量越好，在離焦時(shí)打標(biāo)工藝的容錯(cuò)性越高，這點(diǎn)對(duì)圓柱形零部件上的打標(biāo)非常重要。
要想取得光滑的表面以及好的邊緣質(zhì)量，前一脈沖與下一脈沖的重疊非常重要。光斑在表面移動(dòng)的越快（速率），要想取得一定的重疊（圖1所示），要求的頻率就越高。不幸的是，所有激光器的脈沖頻率越高，脈沖峰值功率和脈沖能量就越低，只不過(guò)有些激光器情況稍好。這說(shuō)明了為何選擇光纖激光器和釩酸鹽激光器用于快速燒蝕工藝（比如薄膜燒蝕）。
每一類型的激光器都有不同的頻率特性。圖2顯示了YAG和釩酸鹽激光器典型頻率特性。
如表1所示，光纖激光器與YAG激光器、釩酸鹽激光器有著很大的區(qū)別。通常情況下，光纖激光器開(kāi)始時(shí)的峰值功率較低，但是當(dāng)頻率增加時(shí)，峰值功率仍能維持的很好。使用主振蕩光纖功率放大器（MOFPA）方法的光纖激光器可以改變脈沖寬度，這有助于優(yōu)化激光打標(biāo)參數(shù)。例如在燒蝕工藝?yán)?，可以通過(guò)調(diào)整脈沖寬度找到已熔化材料和已蒸發(fā)材料的最佳比例。
對(duì)于固體激光打標(biāo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，上述三種技術(shù)（Nd:YAG、釩酸鹽、鐿/光纖激光器）已經(jīng)并將繼續(xù)在工業(yè)制造中發(fā)揮作用。這三種技術(shù)都有可能進(jìn)一步發(fā)展，以提高性能并降低價(jià)格。客戶希望有機(jī)會(huì)使用各種技術(shù)對(duì)他們的零部件進(jìn)行公正的應(yīng)用試驗(yàn)。在激光打標(biāo)應(yīng)用中，除了諸如對(duì)比度、速度和深度等簡(jiǎn)單明了的性能外，其他因素也正變得重要甚至更重要。這些因素包括：可變的數(shù)據(jù)管理、條形碼掃描器等周邊配件處理、可現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程診斷。最后，在激光打標(biāo)使用時(shí)，需要重點(diǎn)考慮進(jìn)行激光功率校準(zhǔn)，以取得穩(wěn)定的激光打標(biāo)效果。
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