多年來,激光打標幾乎“入侵”到各種制造業中。在性能和機器成本方面,激光打標技術更是突飛猛進。本文著重介紹了脈沖固體激光打標技術和應用。連續波固體激光器很少用于打標。CO2激光器廣泛應用于有機材料(比如木材、皮革等)的包裝打標。與固體激光器應用相比,二氧化碳激光器可應用于低對比度、工作面積更大的打標。固體激光器和二氧化碳激 光器的應用并沒有明顯的重疊之處。 哪種才是合適的激光器?

許多人都同意這一觀點:汽車的馬力越大,車速也就越快。這種觀點非常簡單,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量?一臺馬力稍遜的汽車很有可能在車速上會超過其他車。激光打標也會有同樣的情況,要為當前的任務選擇合適的激光器,對于激光器來說,要考慮的參數不是馬力而是功率。其他要考慮的因素還有脈沖頻率、脈沖寬度和峰值頻率。

激光打標首先應該考慮客戶的需求。人們通常需要在打標質量、打標時間以及打標深度三者之間進行權衡。打標所花費的時間和打標深度很容易量化。然而對于打標質量來說,每一個客戶都有不同的期望,客戶考慮的因素有:色彩對比、邊緣質量(銳利、潔凈、筆直、毛刺)、表面光潔度、線寬、分辨率、曲面上打標的一致性、抗劃傷性(僅對塑料而言)、熱影響區域(HAZ)以及脈沖到脈沖的穩定性,這還僅僅是列出了一部分因素。除了打標技術規范,一些客戶還要求打標方法具備多用性,比如要求能夠對多種材料進行打標,或者對同一種材料進行重復打標。

激光打標技術

由于需求的復雜性,目前不存在一個簡單的規則適用于所有應用——因為每一種應用都不相同。縮小參數范圍的唯一方法就是詳細了解不同激光打標技術的優劣,才有可能找到適合特定需求的激光器。一個應用的最終檢驗總是在應用實驗室內由專業人士完成。當前使用的激光打標類型有三種:Nd:YAG(棒激光器)、Nd:YVO4(棒激光器)以及光纖激光器。Nd:YAG已經幾乎完全被二極管泵浦激光器技術所取代。高性能YAG和釩酸鹽激光器是水冷式的,但在性能稍低時也可以是風冷的。大多數光纖激光器也是如此。假定在同時采用最先進設計的情況下,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行成本幾乎完全一樣。因此,客戶可以選擇適合他們應用需求的激光器,而不用考慮成本問題。

相關的光束特性

在金屬上進行雕刻要求材料能夠熔化和蒸發。這一工藝可以這樣解釋:平均激光功率用來熔化材料,峰值功率用來蒸發材料。達到最佳雕刻率有一個關鍵點,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。如果已熔化材料過多,會導致雕刻率下降以及過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,會導致雕刻率下降。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比度標記。

脈沖寬度

所有的固體激光打標系統都是納秒級激光器。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隨著頻率的增加而變長。光纖激光器的脈沖寬度或是固定在100納秒范圍內,或是通過使用主振蕩光纖功率放大器(MOFPA)設計,從而讓脈沖寬度在10到200納秒間變動。脈沖寬度影響到材料的熱穿透深度。短脈沖是靈敏型應用的理想選擇,例如對油墨層做晝夜不間斷的潔凈燒蝕,以及對低熱影響區域(HAZ)的金屬打標。這種應用的一種例子就是在航空航天工業中的應力部件上打標。對于塑料來說,沒有通用的規則,有些適合長脈沖,有些適合短脈沖。

光束質量

光束質量的度量標準是M2。M2值越小,光束質量越高,當M2=1時,激光光束是最理想的。如果激光的光束質量好,那么激光聚焦的光斑尺寸就越小,從而能量密度就越高,對于許多應用來說,高能量密度是理想的選擇,甚至是必需的。還有兩種效應與光束質量有關:

● 第一種是標記區域尺寸。標記區域越大,光斑尺寸越大。要想在獲取最大標記區域的同時將光斑尺寸控制在一個合理的范圍,必須有好的光束質量。

● 第二種是聚焦深度。光束質量越好,在離焦時打標工藝的容錯性越高,這點對圓柱形零部件上的打標非常重要。

其他因素

要想取得光滑的表面以及好的邊緣質量,前一脈沖與下一脈沖的重疊非常重要。光斑在表面移動的越快(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,只不過有些激光器情況稍好。這說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)。

頻率響應

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。

光纖激光器與YAG激光器、釩酸鹽激光器有著很大的區別。通常情況下,光纖激光器開始時的峰值功率較低,但是當頻率增加時,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,這有助于優化激光打標參數。例如在燒蝕工藝里,可以通過調整脈沖寬度找到已熔化材料和已蒸發材料的最佳比例。

綜述

對于固體激光打標系統來說,上述三種技術(Nd:YAG、釩酸鹽、鐿/光纖激光器)已經并將繼續在工業制造中發揮作用。這三種技術都有可能進一步發展,以提高性能并降低價格。客戶希望有機會使用各種技術對他們的零部件進行公正的應用試驗。在激光打標應用中,除了諸如對比度、速度和深度等簡單明了的性能外,其他因素也正變得重要甚至更重要。這些因素包括:可變的數據管理、條形碼掃描器等周邊配件處理、可現場維護的設計以及遠程診斷。最后,在激光打標使用時,需要重點考慮進行激光功率校準,以取得穩定的激光打標效果。