加工參數(shù)對表面激光標(biāo)刻質(zhì)量影響的試驗研究

趙團團，姜開宇，周惟一

大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院（遼寧大連 116024）

1 引言

激光打標(biāo)是通過控制激光器發(fā)出高能量密度的激光束使工件表層材料瞬間氣化蒸發(fā)露出基體材料，或者使其表層材料發(fā)生化學(xué)物理反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種標(biāo)刻方法。激光打標(biāo)同其他打標(biāo)方式相比，應(yīng)用范圍更廣，可以在多種材料上打上永久高質(zhì)量的標(biāo)記，且標(biāo)刻過程無接觸，工件表面不受力，不產(chǎn)生機械變形，適合一些需求精細、精度要求較高的產(chǎn)品加工。目前激光打標(biāo)系統(tǒng)充分采用精密機械部件和計算機控制軟件，形成整套完整的自動化加工設(shè)備，可靠性強，穩(wěn)定度好，生產(chǎn)效率高。

對標(biāo)刻質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素有很多，工藝參數(shù)有掃描速度、激光功率、重復(fù)頻率、加工次數(shù)、填充、開光延時、關(guān)光延時、結(jié)束延時、拐角延時等，上述參數(shù)是密切聯(lián)系的，因此在打標(biāo)的時候一定要綜合考慮。填充這里主要是指填充類型、填充角度和填充線間距，3個參數(shù)都是根據(jù)實際標(biāo)刻的效果進行設(shè)置和更改。填充類型包括單向填充、雙向填充、環(huán)形填充和優(yōu)化雙向填充。

對激光標(biāo)刻質(zhì)量產(chǎn)生影響的一個重要因素就是激光標(biāo)刻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。隨著激光標(biāo)刻系統(tǒng)在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，對激光標(biāo)刻的要求越來越高，對標(biāo)刻的圖形和字符的標(biāo)刻質(zhì)量的要求也是越來越高。必須使標(biāo)刻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置達到最優(yōu)化，才能得到穩(wěn)定良好精美的標(biāo)刻效果，所以對激光標(biāo)刻過程中的參數(shù)設(shè)置進行優(yōu)化分析。

當(dāng)加工圖案較小且加工精度要求更高，僅依靠調(diào)整掃描速度、激光功率、重復(fù)頻率3個加工參數(shù)，試件的加工質(zhì)量還是很難保證，所以本文就延時參數(shù)、輪廓相關(guān)參數(shù)、填充相關(guān)參數(shù)對表面加工質(zhì)量的影響展開探討。

2 試驗方法與條件

2.1 試件及試驗設(shè)備

此次加工試驗的研究對象為基體為陶瓷，表層材料為鋁的近似錐形件?；w厚度為2mm，外鍍鋁層厚度為0.03mm。加工單元為Y形中間連接單元，圖1是Y形單元的模型圖，單元具體尺寸如下：a=0.15mm，b=0.56mm，三臂呈等角分布，間隔120°，是等臂長的中心連接單元。

圖1 加工單元

本文選用由所在課題組自行搭建的激光伺服加工系統(tǒng)，所選用的振鏡式光纖激光器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。其余各部分傳動精度參數(shù)如下：伺服電機的重復(fù)定位精度為1轉(zhuǎn)/10000脈沖信號，滾珠絲杠的重復(fù)定位精度為±0.03mm，光電限位開關(guān)的重復(fù)定位精度為±0.015mm。

表1 激光器相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2.2 加工質(zhì)量表征方法

目前研究者對激光加工單元質(zhì)量的表征：一類是線性長度表征，例如圖形的長度、寬度等，這種方法相對簡單，測量時需要借助精度較高的顯微鏡，但這種評價標(biāo)準(zhǔn)弊端太大，未考慮到整體位置的成型質(zhì)量，也就是加工圖形的輪廓位置精度，導(dǎo)致所得結(jié)果精度不可靠；另一種評估指標(biāo)是基于面積比，如透光率為單個加工圖形單元中光透過部分的面積與理論設(shè)計單元的面積。雖透光率能夠揭示激光加工過程中焦化、顆粒黏著、材料去除不干凈（加工不徹底）等問題，但是測量手段一定程度上容易受限，不可避免的產(chǎn)生測量誤差。再者，這種方法只考慮到了加工單元的面積，卻忽略了單元面積一定時，輪廓形狀的多樣性，即同一面積比會對應(yīng)有多種不同的截面圖形形狀。

待試件加工完畢后，使用型號為VTM-3020F的數(shù)字式影像工具顯微鏡對單元輪廓點進行測量并記錄數(shù)據(jù)，測量的儀器如圖2所示。其中數(shù)字式影像工具顯微鏡的測量精度為±0.001mm。并采用該設(shè)備對激光加工后的試件單元加工質(zhì)量進行檢測評估，記錄各單元加工形貌，主要通過觀察試件表層加工圖形材料是否去除徹底、有無金屬顆粒黏著、輪廓是否有毛刺、輪廓是否清晰來判斷加工質(zhì)量的好壞。

圖2 數(shù)字式影像工具顯微鏡

為了分析不同加工參數(shù)下單元加工質(zhì)量并保證選取樣點的均勻性，選取A、B、C、D、E、F、G、H、I（單元輪廓點）9個測量位置，如圖3所示。用50倍的放大倍數(shù)依次測量打標(biāo)圖形的9個位置。

圖3 加工圖形及測量位置點

均方根差是實際加工圖形輪廓線上各點橫縱坐標(biāo)相對于理論圖形輪廓線上相同位置橫縱坐標(biāo)之差的均方根，計算式為：

式中 Xi——實際輪廓曲線上的第i點的橫坐標(biāo)

Yi——實際輪廓曲線上的第i點的縱坐標(biāo)

利用Matlab編程計算理論輪廓位置與實際輪廓位置均方根差并繪制成圖。若ERMS越小，則檢測位置的實際輪廓與理論輪廓越接近，實際加工圖形完整度越高，畸變越小，也即加工質(zhì)量越好。所以本文采用均方根差法可以很好地表征加工質(zhì)量。

3 加工實驗

鑒于影響激光標(biāo)刻質(zhì)量的因素有很多，特別是在掃描速度、激光功率、重復(fù)頻率、脈寬方面做了大量的研究工作，獲得了一些研究成果和加工經(jīng)驗，而對延時參數(shù)、輪廓相關(guān)參數(shù)和填充相關(guān)參數(shù)的研究少之又少，且它們對加工質(zhì)量的影響不能忽略。所以對鋁鍍層試件，主要研究了延時參數(shù)、輪廓相關(guān)參數(shù)和填充相關(guān)參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。

考慮到多因素實驗無法比擬的優(yōu)點，實驗效率高，可以考察參數(shù)交互作用，更有利于干擾變量的控制以及更接近現(xiàn)實情形，所以本文采用多因素參數(shù)實驗。參數(shù)的設(shè)置值是基于廠家提供的初始值和前期加工實驗的積累。

3.1 延時參數(shù)設(shè)置分析

首先將影響標(biāo)刻質(zhì)量的掃描速度、激光功率、重復(fù)頻率等參數(shù)均設(shè)置為標(biāo)刻最佳狀態(tài)，不能影響對延時參數(shù)的影響判斷。因此設(shè)置打標(biāo)機的掃描速度為1,100mm/s、功率（%）2、重復(fù)頻率20.5KHz。在該參數(shù)設(shè)置和標(biāo)刻軌跡下，試件表層的圖案標(biāo)刻質(zhì)量較好。在標(biāo)刻界面，調(diào)整各延時參數(shù)。并選用工具顯微鏡記錄數(shù)據(jù)和標(biāo)刻軌跡制作均方根差圖，如圖4所示。對比分析標(biāo)刻質(zhì)量，選出加工質(zhì)量最好的加工形貌和各延時參數(shù)最佳設(shè)置值。

圖4 延時參數(shù)下均方根

由于每個樣件上會有數(shù)以百計，甚至成千上萬的加工圖形，為排除干擾因素的影響，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此僅測量同一加工位置的同幾個加工圖形。本次實驗的研究對象為試件表層的前10個加工圖形。為了盡可能直觀表示各參數(shù)組合下的加工質(zhì)量和方便曲線圖的繪制，以單元序號為橫坐標(biāo)，與此對應(yīng)的單元均方根差ERMS為縱坐標(biāo)。

由圖4明顯可以看出，關(guān)光延時參數(shù)設(shè)置較大，對應(yīng)的單元均方根差ERMS越小，比如第三組和第九組。第三組延時參數(shù)組合下的均方根要小于第五組的，且第三組藍色基本維持在0.1，所有單元變化一致性高。從工具顯微鏡中放大的不同延時參數(shù)組合的標(biāo)刻痕跡中選出加工質(zhì)量較好的加工形貌，第三組和第五組，如圖5所示。對比單元加工形貌，拐角延時參數(shù)設(shè)置適中，單元輪廓圓角較小，對加工質(zhì)量影響較大。

圖5 標(biāo)刻圖形形貌

設(shè)置適當(dāng)?shù)年P(guān)光延時參數(shù)可以去除在標(biāo)刻完畢時出現(xiàn)的不閉合現(xiàn)象，但如果關(guān)光延時設(shè)置太大會導(dǎo)致結(jié)束段出現(xiàn)“火柴頭”；而設(shè)置適當(dāng)?shù)墓战茄訒r參數(shù)可以去除在標(biāo)刻拐角出現(xiàn)的圓角現(xiàn)象，但如果拐角延時設(shè)置太大會導(dǎo)致標(biāo)刻時間增加，且拐角處會出現(xiàn)重點現(xiàn)象。

綜上，確定開光延時-200、關(guān)光延時300、結(jié)束延時400、拐角延時200為延時參數(shù)最優(yōu)組合。

3.2 輪廓相關(guān)參數(shù)設(shè)置分析

首先按照上面分析得到的延時參數(shù)最優(yōu)組合，設(shè)置開光延時-200、關(guān)光延時300、結(jié)束延時400、拐角延時200。然后設(shè)置輪廓相關(guān)參數(shù)8種組合，輪廓相關(guān)參數(shù)在標(biāo)刻界面勾選，填充相關(guān)參數(shù)默認，并記錄相應(yīng)的標(biāo)刻痕跡制作均方根圖如圖6所示。S代表使能輪廓，D代表對象整體計算，R代表繞邊走一次。

圖6 輪廓相關(guān)參數(shù)下均方根

由圖6可以看出，使能輪廓組合下的均方根ERMS跳動較大，也即在該條件下各加工圖案位置精度一致性不高，說明圖形加工對使能輪廓較敏感。第六組均方根ERMS較第七組偏大約0.004，且整體變化趨勢類似。使能輪廓和繞邊走一次均會使加工單元輪廓變大，不同的是前者可以減少單元輪廓毛刺，后者則使單元輪廓平滑規(guī)整，避免波浪形輪廓出現(xiàn)。從工具顯微鏡中放大的不同輪廓相關(guān)參數(shù)組合的標(biāo)刻痕跡中選出加工質(zhì)量較好的加工形貌，第六組和第七組，如圖5所示。綜上，確定使能輪廓和繞邊走一次為輪廓相關(guān)參數(shù)最優(yōu)組合。

3.3 填充相關(guān)參數(shù)設(shè)置分析

首先按照上面分析得到的延時參數(shù)和輪廓相關(guān)參數(shù)最優(yōu)組合，設(shè)置開光延時-200、關(guān)光延時300、結(jié)束延時400、拐角延時200、勾選使能輪廓和繞邊走一次。然后設(shè)置線間距和填充類型8種組合，同樣也是在標(biāo)刻界面進行選擇和修改，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)和標(biāo)刻痕跡制作均方根圖如圖7所示。h代表環(huán)型填充，d代表單向填充，s代表雙向填充，y代表優(yōu)化雙向填充。

圖7 填充參數(shù)下均方根

由圖7可以看出，這組實驗均方根差ERMS分層較大，但整體均方根都偏小，最小的均方根ERMS接近0.025，在很大程度上反映了參數(shù)優(yōu)化作用顯著。環(huán)型填充下，線間距越小，對應(yīng)均方根差ERMS也越小，加工質(zhì)量也越好；單向填充下，線間距越大，對應(yīng)均方根差ERMS越小，加工質(zhì)量越好；雙向填充下，線間距大小對均方根差影響較弱，兩者加工質(zhì)量不分伯仲；優(yōu)化雙向填充下，線間距越小，對應(yīng)均方根差ERMS越小，加工質(zhì)量越好。而線間距0.01mm時，顯然單向填充加工效果更好；線間距0.005mm時，顯然環(huán)型填充和優(yōu)化雙向填充加工效果更好。

從工具顯微鏡中放大的不同輪廓相關(guān)參數(shù)組合的標(biāo)刻痕跡中選出加工質(zhì)量較好的加工形貌，第五組和第八組，如圖5所示。綜上，確定線間距0.005mm、環(huán)型填充或者線間距0.005mm、優(yōu)化雙向填充為填充相關(guān)參數(shù)最優(yōu)組合。

4 結(jié)論

通過上述實驗分析得出，在激光標(biāo)刻過程中，除了常用的掃描速度、出光功率、重復(fù)頻率等對標(biāo)刻質(zhì)量有影響外，開光延時、關(guān)光延時、結(jié)束延時、拐角延時的延時參數(shù)、使能輪廓、繞標(biāo)走一次、對象整體計算的輪廓相關(guān)參數(shù)以及線間距、填充類型的填充參數(shù)均對加工質(zhì)量有影響。首先延時參數(shù)中關(guān)光延時和拐角延時對加工質(zhì)量影響較大，關(guān)光延時設(shè)置太大會導(dǎo)致結(jié)束段出現(xiàn)“火柴頭”，而設(shè)置適當(dāng)?shù)墓战茄訒r參數(shù)可以去除在標(biāo)刻拐角出現(xiàn)的圓角現(xiàn)象，但如果拐角延時設(shè)置太大會導(dǎo)致標(biāo)刻時間增加，且拐角處會出現(xiàn)重點現(xiàn)象。其次輪廓相關(guān)參數(shù)中使能輪廓和繞邊走一次對加工質(zhì)量產(chǎn)生影響較大，前者能夠減少加工毛刺，后者避免出現(xiàn)波浪線輪廓。最后填充相關(guān)參數(shù)中，對加工質(zhì)量影響最大的是線間距，合理的線間距可以使材料在規(guī)定的時間內(nèi)去除干凈且加工缺陷較少。

經(jīng)過合理設(shè)置對比分析，優(yōu)化得到最優(yōu)參數(shù)設(shè)置為延時參數(shù)（開光延時-200、關(guān)光延時300、結(jié)束延時400、拐角延時200）、輪廓相關(guān)參數(shù)（勾選使能輪廓、繞邊走一次）以及填充相關(guān)參數(shù)（線間距0.005mm、環(huán)型填充或優(yōu)化雙向填充）。