多年来,激光打标几乎“入侵”到各种制造业中。在性能和机器成本方面,激光打标技术更是突飞猛进。本文着重介绍了脉冲固体激光打标技术和应用。连续波固体激光器很少用于打标。CO2激光器广泛应用于有机材料(比如木材、皮革等)的包装打标。与固体激光器应用相比,二氧化碳激光器可应用于低对比度、工作面积更大的打标。固体激光器和二氧化碳激 光器的应用并没有明显的重叠之处。
哪种才是合适的激光器?
许多人都同意这一观点:汽车的马力越大,车速也就越快。这种观点非常简单,但不幸地是并不正确,也许还有其他更重要的因素。是不是还要考虑汽车的重量和牵引轮胎质量?一台马力稍逊的汽车很有可能在车速上会超过其他车。激光打标也会有同样的情况,要为当前的任务选择合适的激光器,对于激光器来说,要考虑的参数不是马力而是功率。其他要考虑的因素还有脉冲频率、脉冲宽度和峰值频率。
激光打标首先应该考虑客户的需求。人们通常需要在打标质量、打标时间以及打标深度三者之间进行权衡。打标所花费的时间和打标深度很容易量化。然而对于打标质量来说,每一个客户都有不同的期望,客户考虑的因素有:色彩对比、边缘质量(锐利、洁净、笔直、毛刺)、表面光洁度、线宽、分辨率、曲面上打标的一致性、抗划伤性(仅对塑料而言)、热影响区域(HAZ)以及脉冲到脉冲的稳定性,这还仅仅是列出了一部分因素。除了打标技术规范,一些客户还要求打标方法具备多用性,比如要求能够对多种材料进行打标,或者对同一种材料进行重复打标。
激光打标技术
由于需求的复杂性,目前不存在一个简单的规则适用于所有应用——因为每一种应用都不相同。缩小参数范围的唯一方法就是详细了解不同激光打标技术的优劣,才有可能找到适合特定需求的激光器。一个应用的最终检验总是在应用实验室内由专业人士完成。当前使用的激光打标类型有三种:Nd:YAG(棒激光器)、Nd:YVO4(棒激光器)以及光纤激光器。Nd:YAG已经几乎完全被二极管泵浦激光器技术所取代。高性能YAG和钒酸盐激光器是水冷式的,但在性能稍低时也可以是风冷的。大多数光纤激光器也是如此。假定在同时采用最先进设计的情况下,就耗材、电源要求和泵浦二极管寿命而言,YAG、钒酸盐和光纤激光器的运行成本几乎完全一样。因此,客户可以选择适合他们应用需求的激光器,而不用考虑成本问题。
相关的光束特性
在金属上进行雕刻要求材料能够熔化和蒸发。这一工艺可以这样解释:平均激光功率用来熔化材料,峰值功率用来蒸发材料。达到最佳雕刻率有一个关键点,就是正好有足够多的已熔化材料能在有效峰值功率下被蒸发。如果已熔化材料过多,会导致雕刻率下降以及过多的再铸材料和毛刺。如果已熔化材料不足而峰值功率充足,会导致雕刻率下降。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对比度标记。
脉冲宽度
所有的固体激光打标系统都是纳秒级激光器。Nd:YAG激光器通常是10到150纳秒,钒酸盐激光器是5到30纳秒。这两种激光器的脉冲宽度会随着频率的增加而变长。光纤激光器的脉冲宽度或是固定在100纳秒范围内,或是通过使用主振荡光纤功率放大器(MOFPA)设计,从而让脉冲宽度在10到200纳秒间变动。脉冲宽度影响到材料的热穿透深度。短脉冲是灵敏型应用的理想选择,例如对油墨层做昼夜不间断的洁净烧蚀,以及对低热影响区域(HAZ)的金属打标。这种应用的一种例子就是在航空航天工业中的应力部件上打标。对于塑料来说,没有通用的规则,有些适合长脉冲,有些适合短脉冲。
光束质量
光束质量的度量标准是M2。M2值越小,光束质量越高,当M2=1时,激光光束是最理想的。如果激光的光束质量好,那么激光聚焦的光斑尺寸就越小,从而能量密度就越高,对于许多应用来说,高能量密度是理想的选择,甚至是必需的。还有两种效应与光束质量有关:
● 第一种是标记区域尺寸。标记区域越大,光斑尺寸越大。要想在获取最大标记区域的同时将光斑尺寸控制在一个合理的范围,必须有好的光束质量。
● 第二种是聚焦深度。光束质量越好,在离焦时打标工艺的容错性越高,这点对圆柱形零部件上的打标非常重要。
其他因素
要想取得光滑的表面以及好的边缘质量,前一脉冲与下一脉冲的重叠非常重要。光斑在表面移动的越快(速率),要想取得一定的重叠(图1所示),要求的频率就越高。不幸的是,所有激光器的脉冲频率越高,脉冲峰值功率和脉冲能量就越低,只不过有些激光器情况稍好。这说明了为何选择光纤激光器和钒酸盐激光器用于快速烧蚀工艺(比如薄膜烧蚀)。
频率响应
每一类型的激光器都有不同的频率特性。图2显示了YAG和钒酸盐激光器典型频率特性。
光纤激光器与YAG激光器、钒酸盐激光器有着很大的区别。通常情况下,光纤激光器开始时的峰值功率较低,但是当频率增加时,峰值功率仍能维持的很好。使用主振荡光纤功率放大器(MOFPA)方法的光纤激光器可以改变脉冲宽度,这有助于优化激光打标参数。例如在烧蚀工艺里,可以通过调整脉冲宽度找到已熔化材料和已蒸发材料的最佳比例。
综述
对于固体激光打标系统来说,上述三种技术(Nd:YAG、钒酸盐、镱/光纤激光器)已经并将继续在工业制造中发挥作用。这三种技术都有可能进一步发展,以提高性能并降低价格。客户希望有机会使用各种技术对他们的零部件进行公正的应用试验。在激光打标应用中,除了诸如对比度、速度和深度等简单明了的性能外,其他因素也正变得重要甚至更重要。这些因素包括:可变的数据管理、条形码扫描器等周边配件处理、可现场维护的设计以及远程诊断。最后,在激光打标使用时,需要重点考虑进行激光功率校准,以取得稳定的激光打标效果。
