激光打標的基本原理是,由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束,聚焦后的激光作用于承印材料,使表面材料瞬間熔融,甚至氣化,通過控制激光在材料表面的路徑,從而形成需要的圖文標記。
激光打標的特點是非接觸加工,可在任何異型表面標刻,工件不會變形和產(chǎn)生內(nèi)應力,適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的標記。
激光幾乎可對所有零件(如活塞、活塞環(huán)、氣門、閥座、五金工具、衛(wèi)生潔具、電子元器件等)進行打標,且標記耐磨,生產(chǎn)工藝易實現(xiàn)自動化,被標記部件變形小。
激光打標機采用掃描法打標,即將激光束入射到兩反射鏡上,利用計算機控制掃描電機帶動反射鏡分別沿X、Y軸轉(zhuǎn)動,激光束聚焦后落到被標記的工件上,從而形成了激光標記的痕跡
珠三角、港臺地區(qū)把激光打標按激光的英文(Laser)音譯稱為激光鐳射加工。
轉(zhuǎn)鏡時代
由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點,在高速振鏡技術還沒有在中國廣泛普及的情況下,一些控制工程師自行開發(fā)了由步進電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng),其工作原理是將從諧振腔中導出的激光通過擴束,經(jīng)過成90°安裝的兩個步進電機驅(qū)動的金鏡的反射,由F-theta場鏡聚焦后輸出作用于處理對象上,金鏡的轉(zhuǎn)動使工作平面上的激光作用點分別在X、Y軸上移動,兩個鏡面協(xié)同動作使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動。這種控制過程無論從速度還是定位精度來說都遠超過大幅面,因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對激光控制的要求,雖然同當時國際上流行的振鏡式掃描系統(tǒng)還有比較明顯的差距,但嚴格來說這種設計思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國激光應用的一個里程碑,是中國完全能自行設計和生產(chǎn)激光應用設備的典型標志。直到振鏡在中國大規(guī)模應用的興起,這種控制方式才逐步退出中國激光應用的舞臺。
掃描式打標
掃描式打標系統(tǒng)由計算機、激光器和X-Y掃描機構(gòu)三部分組成,其工作原理是將需要打標的信息輸入計算機,計算機按照事先設計好的程序控制激光器和X-Y掃描機構(gòu),使經(jīng)過特殊光學系統(tǒng)變換的高能量激光點在被加工表面上掃描運動,形成標記。
通常X-Y掃描機構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)形式:一種是機械掃描式,另一種是振鏡掃描式。
(1) 機械掃描式
機械掃描式打標系統(tǒng)不是采用通過改變反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度去移動光束,而是通過機械的方法對反射鏡進行X-Y坐標的平移,從而改變激光束到達工件的位置,這種打標系統(tǒng)的X-Y掃描機構(gòu)通常是用繪圖儀改裝。其工作過程:激光束經(jīng)過反光鏡①、②轉(zhuǎn)折光路后,再經(jīng)過光筆(聚焦透鏡)③作用射到被加工工件上。其中繪圖儀筆臂④只能帶著反光鏡①和②沿X軸方向來回運動;光筆③連同它上端的反光鏡②(兩者固定在一起)只能沿Y軸方向運動。在計算機的控制下(一般通過并口輸出控制信號),光筆在Y方向上的運動與筆臂 在X方向上的運動合成,可使輸出激光到達平面內(nèi)任意點,從而標刻出任意圖形和文字。
(2)振鏡掃描式
振鏡掃描式打標系統(tǒng)主要由激光器、XY偏轉(zhuǎn)鏡、聚焦透鏡、計算機等構(gòu)成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡(振鏡)上,用計算機控制反射鏡的反射角度,這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸掃描,從而達到激光束的偏轉(zhuǎn),使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標材料上按所需的要求運動,從而在材料表面上留下的標記,聚焦的光斑可以是圓形或矩形。
在振鏡打標系統(tǒng)中,可以采用矢量圖形及文字,這種方法采用了計算機中圖形軟件對圖形的處理方式,具有作圖效率高,圖形精度好,無失真等特點,極大的提高了激光打標的質(zhì)量和速度。同時振鏡式打標也可采用點陣式打標方式,采用這種方式對于在線打標很適用,根據(jù)于不同速度的生產(chǎn)線可以采用一個掃描振鏡或兩個掃描振鏡,與前面所述的陣列式打標相比,可以標記更多的點陣信息,對于標記漢字字符具有更大的優(yōu)。
振鏡掃描式打標系統(tǒng)一般使用連續(xù)光泵工作波長為1.06μm的Nd:YAG激光器,輸出功率為10~120W,激光輸出可以是連續(xù)的,也可以是Q開關調(diào)制的。發(fā)展的射頻激勵CO2激光器,也被用于振鏡掃描式激光打標機。
振鏡掃描式打標因其應用范圍廣,可進行矢量打標和點陣打標,標記范圍可調(diào),而且具有響應速度快、打標速度高(每秒鐘可打標幾百個字符)、打標質(zhì)量較高、光路密封性能好、對環(huán)境適應性強等優(yōu)勢已成為主流產(chǎn)品,并被認為代表了未來激光打標機的發(fā)展方向,具有廣闊的應用前景。
用于打標的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器產(chǎn)生的激光能被金屬和絕大多數(shù)塑料很好地吸收,而且其波長短(為1.06μm),聚焦的光斑小,因而適合在金屬等材料上進行高清晰度的標記。CO2激光器產(chǎn)生的激光波長為10.6μm,木制品、玻璃、聚合物和多數(shù)透明材料對其有很好的吸收效果,因而特別適合在非金屬表面上進行標記。
Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺點是對材料的熱損傷及熱擴散比較嚴重,產(chǎn)生的熱邊效應常會使標記模糊。相比之下,由準分子激光器產(chǎn)生的紫外光打標時,不加熱物質(zhì),只蒸發(fā)物質(zhì)的表面,在表面組織產(chǎn)生光化學效應,而在物質(zhì)表層留下標記。所以,用準分子激光打標時,標記邊緣十分清晰。由于材料對紫外光的吸收大,激光對材料的作用只發(fā)生在材料的表層,對材料幾乎沒有燒損現(xiàn)象,因此準分子激光器更適合于材料的標記
伴隨著激光設備的迅速發(fā)展,紫外激光打標機功率的提高,紫外激光打標機已經(jīng)被應用于超精細加工高端市場,iPhone、化妝品、藥品、食品及其他高分子材料的包裝瓶表面打標;柔性PCB板打標、劃片;硅晶圓片微孔、盲孔加工;LCD液晶玻璃、玻璃器皿表面、金屬表面鍍層、塑膠按鍵、電子原件、禮品、通訊器材、建筑材料等多個領域。