激光打標初探

龍學文 張順如 諶雄文 鄧曉鵬

【摘 要】激光打標是利用高能量密度激光對物體表面進行局部照射，使表層材料汽化或發生變化，從而留下永久性標記的一種打標方法。本文簡要介紹了激光打標技術及其優點，并采用振鏡式光纖激光打標機對多種材料表面進行了激光打標，展示了激光打標技術的優越性。

【關鍵詞】激光打標；光纖激光；掃描振鏡

中圖分類號： TN249 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.033

【Abstract】Laser marking is a marking method which uses high energy density laser to irradiate the surface of the object， making the surface material vaporize or change， thus leaving permanent marking. This paper briefly introduces the working principle and advantages of laser marking machine technology. Laser marking on the surface of various materials was carried out by using a galvanometer type fiber laser marking machine， showing the superiority of laser marking technology.

【Key words】Laser marking； Fiber laser； Galvanometer

0 引言

激光的發明是一項劃時代的成就，對人類社會產生了極其深遠的影響。人們把激光和原子能、半導體、計算機列在一起，稱為20世紀的“四大發明”。激光亮度高，方向性好，相干性高，單色性好，聚焦后能量可以集中在很小的區域內。自第一臺激光器誕生后，人們就開始探索激光在加工領域的應用。激光打標是激光加工領域中最常見的應用之一。激光打標是利用一束高能量密度的激光和物體表面作用，使物體表面發生物理或化學變化，從而在物體表面留下永久標記的一門新興加工技術。激光打標作為一種現代精密加工方法，與印刷，腐蝕，電火花加工，機械刻劃等傳統的加工方法相比，具有無與倫比的優勢。激光打標通過計算機控制，能夠在物體表面打標出各種文字、符號和圖案，并且可以通過軟件非常容易地設計和更改打標圖樣和內容，能夠大大提高加工效率，適應現代化生產高效率、快節奏的要求。激光打標技術沒有與物體發生硬接觸的刀頭、無切削力，工件不會變形和產生內應力，不會破壞工件，能夠廣泛應用于各種材料，例如常見金屬，聚合物材料，皮革，陶瓷，木材等都可以進行激光打標。聚焦的激光光斑直徑非常小，熱影響區域小，加工精細，并且雕刻的文字圖案有非常強的持久性。采用激光打標技術雕刻出的標記不容易仿制和更改，在一定程度上具有很強的防偽性。激光打標對環境污染小，符合當前的綠色環保的發展潮流。目前，激光打標技術已廣泛應用于包裝、零件、首飾、電子元件、集成電路芯片、五金工具等眾多領域的文字和圖形的標記。本文使用掃描振鏡激光打標機在幾種材料表面進行打標，簡要展示激光打標技術。

1 實驗儀器

實驗采用大恒公司F6S系列掃描振鏡光纖激光打標機進行打標。激光打標機主要構成如圖1。打標機激光源為摻鐿光纖激光器，最大平均光功率為20W，波長為1.0微米，脈沖重復頻率為20-80KHz，M2小于2。用于打標的聚焦透鏡焦距為160mm，打標線寬為0.02-0.15mm，打標深度為0-0.02mm，雕刻范圍為100×100mm2。光纖激光器出射激光經準直后導入掃描振鏡，并將激光束入射到掃描振鏡系統的兩塊反射鏡上，兩個反射鏡固定在伺服電機軸上，由計算機控制反射角度，可分別沿X、Y軸掃描，使激光束偏轉，以不同方向和角度入射聚焦透鏡，以使激光焦點在透鏡焦平面上按所需的軌跡運動。位于透鏡焦平面處的材料和高能量密度的激光焦點相互作用，材料表面上留下永久的標記。F6S系列激光打標機采用的“大恒新紀元打標系統控制軟件”控制打標。該軟件采用開放式結構，且兼容性極好，可以接受目前社會上流行的多種軟件生成的文件（例如：AutoCAD、CorelDraw等）。當用戶配備了圖像采集系統（掃描儀、攝像機等）時，對于由它們生成的任何圖像、圖案，光纖激光打標機均可以處理，極大地方便了用戶。

2 激光打標

影響打標效果的因素有很多，如材料的特性，表面光潔度，激光工作方式，激光波長，激光脈寬，激光功率，激光重復頻率，掃描速度，離焦量等。盡管制約打標效果的因素很多，卻可以根據選用的材料，所使用的激光，通過實驗來確定打標參數。例如我們使用的F6S系列掃描振鏡光纖激光打標機發出的激光是納秒級的脈沖激光。該打標記激光功率，掃描速度，重復頻率三個參數可調。針對具體材料，我們可以分別掃描這三個參數，得出較優的打標參數范圍。

（a）-（d）激光重復頻率固定為20kHz，掃描速度固定為500mm/s，激光功率分別為20W，16W，12W，8W，（e）-（h）激光重復頻率固定為20kHz，激光功率掃描速度固定為20W， 掃描速度分別為400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s，（i）-（l）激光功率固定為20W， 掃描速度固定為400mm/s，激光重復頻率分別為30kHz，60kHz，90kHz，120kHz。

我們以不銹鋼表面打標為例進行說明。首先將表面去污的不銹鋼片放在激光打標機工作臺上，通過逐一改變參數來進行三組實驗，分別研究掃描速度、功率和重復頻率對打標效果的影響。圖2是不同參數下，不銹鋼表面的打標效果。圖2（a）-（d）激光重復頻率固定為20kHz，掃描速度固定為500mm/s，激光功率分別為20W，16W，12W，8W的效果。從圖2（a）-（d）中可知隨著激光功率的降低，字跡逐漸變得不清晰，效果變差。但也激光功率也不宜過高，功率過高，熱影響區較大，材料表面被燒蝕嚴重，表面光滑度下降。圖2（e）-（h）是激光重復頻率固定為20kHz，激光功率掃描速度固定為20W， 掃描速度分別為400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s的效果。掃描速度過快時，激光作用時間比較短，標刻的字跡比較淺，效果不明顯。掃描速度過慢也不宜采用，速度過慢，材料表面被燒蝕嚴重，文字圖案會不美觀。圖2（i）-（l）激光功率固定為20W， 掃描速度固定為400mm/s，激光重復頻率分別為30kHz，60kHz，90kHz，120kHz的效果。當重復頻率升高時，字跡逐漸變淡，這是因為激光器輸出功率是一定的，當重復頻率增大時，單脈沖能量減小，當低于閾值時，甚至不會在材料表面留下痕跡。綜上可見，我們需根據具體材料，通過實驗確定合適的參數范圍，得出需要打標的效果。此外，納秒激光和金屬相互作用，往往會在金屬表面產生各種顏色，這是由于金屬和激光作用后在表面形成氧化膜，發生等厚干涉，從而形成人眼所見到的彩色，利用這種特點，往往可以打出具有色彩的文字與圖案，擴展了激光打標的應用。激光打標機除了可以在材料表面進行文字打標外，還可以打標各種圖案。圖3（a）是在不銹鋼表面打印的二維碼，圖中打標的二維碼呈現金黃色。圖3（b）是在石板上打標的動物圖案。圖3（c）是在手機殼上打標的人物圖案。

亞克力是一種廣泛使用的透明材料，具有質輕、價廉，易于成型等優點。它廣泛用于儀器儀表零件、汽車車燈、光學鏡片、標識招牌等。亞克力激光損傷閾值較低，如使用納秒脈沖激光打標，高的激光峰值功率會使打標點產生氣泡狀爆裂點，無法標刻出理想圖案。為了在亞克力表面打標出精美圖案，可采用連續激光在亞克力表面進行雕刻，避免產生氣泡狀爆裂。圖4為使用連續激光在亞克力表面雕刻的十二生肖圖案，圖案清晰，沒有出現氣泡狀爆裂點。此外也可選擇在透明亞克力板下墊金屬板，讓打標圖案反襯在亞克力板上。激光打標還需充分考慮材料對激光波段的吸收問題，例如木材對我們使用的打標機光源發出的1微米波段激光吸收率很低，所以無法在木材表面打標。10.6微米的二氧化碳激光比較適合竹木材料的打標。如果沒有相應波段激光源，可選擇在物體表面涂覆對該激光吸收較好的材料粉末，進行應急性小批量打標。例如對1微米波段激光，可在木材表面涂覆碳粉，幫助吸收該波段激光，輔助進行打標。

3 結束語

本文通過在多種材料上進行文字、圖案的激光打標，展示了激光打標這一新興技術。激光功率、打標速度，激光重復頻率和激光波長等是激光打標的關鍵參數，針對不同材料，可通過實驗優化出打標參數，得到較好的打標效果。

【參考文獻】

[1]龍學文，張順如，楊朋，舒象喜，鄧曉鵬.開放型激光加工實訓平臺構建的研究[J].科技視界，2016（23）：145.

[2]張玉華，陸茵.關于激光打標的原理及發展的研究[J].自動化與儀器儀表，2014（5）：33.

[3]劉忠民，張慶茂，郭亮，呂啟濤，楊琨.激光工藝參數對打標彩色效果的影響[J].中國激光，2014（4）：129.