光纖激光打標 性能

打標速度快、適應(yīng)性強以及免維護操作等優(yōu)點使光纖激光打標機迅速成為塑料及金屬材料打標的首先選擇。

當今，幾乎所有產(chǎn)品上都帶有某種形式的標識，標識的內(nèi)容包括條碼、產(chǎn)品序列號、公司標志以及生產(chǎn)日期等。產(chǎn)品標識除了有助于消費者了解產(chǎn)品信息外，對生產(chǎn)廠家防止假冒、創(chuàng)造品牌效應(yīng)也有非常重要的作用，所以現(xiàn)在生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品標識越來越重視，甚至傳統(tǒng)上不需要有標識的裸裝產(chǎn)品，如雞蛋、蘋果等也已經(jīng)有帶標識的產(chǎn)品出現(xiàn)。激光打標現(xiàn)已成為產(chǎn)品標識制作的一種常用技術(shù)，應(yīng)用范圍越來越廣泛。隨著激光打標機性能的提高和價格的下降，激光打標也由以前的外加工方式逐漸趨向于廠商擁有自己的激光打標機，未來幾年激光打標機將會面臨市場快速擴張的機遇。激光打標技術(shù)已經(jīng)有20 年以上的歷史，現(xiàn)已穩(wěn)步占據(jù)了一部分曾經(jīng)被傳統(tǒng)打標技術(shù)，如電火花、腐蝕、機械刻劃以及噴墨打印等統(tǒng)治的市場。激光打標能夠逐步取代噴墨打印主要有2 個方面的原因，一是噴墨打印所使用的油墨、顏料及溶劑會引起環(huán)境問題，另一方面噴墨打印的持久性也有問題，因為這樣的標記多數(shù)都能使用溶劑除去。相比之下，激光打標則能夠在各種材料上產(chǎn)生清晰、持久的標記。所以近年來激光打標逐漸受到用戶的青睞，應(yīng)用范圍日益廣泛。

現(xiàn)在，用于激光打標的激光器主要是波長1.06 μm的Nd：YAG和Nd：YVO4 固體激光器。但是，效率和可靠性更高且成本更低的摻Y(jié)b光纖激光器已經(jīng)開始挑戰(zhàn)以上2 種固體激光器的地位。光纖激光器自幾年前步入實用化階段便迅速吸引了人們的注意力。目前，光纖激光器已占所有新生產(chǎn)激光打標設(shè)備的20%，并且對激光打標市場的滲透仍在繼續(xù)。現(xiàn)在，光纖激光器中用于激光打標的主力機型是脈沖重復(fù)頻率<100 kHz的Q開關(guān)光纖激光器，它正與常規(guī)的Nd：YAG激光器進行激烈的競爭。這種Q開關(guān)光纖激光器有固定的、約200ns的脈沖寬度，脈沖峰值功率也不是很高， 但非常適用于一般的打標應(yīng)用。

基于由種源進行直接調(diào)制的主振蕩器功率放大器(MOPA)的光纖激光器，具有比常規(guī)Q 開關(guān)激光器更寬的工作范圍。這種激光器具有更高的脈沖峰值功率，并且能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。例如，MOPA光纖激光器在脈沖重復(fù)頻率為25 kHz，平均輸出功率為20 W時，脈沖峰值功率可以達到14 kW，工作頻率范圍可以達到1~500 kHz，也可以在連續(xù)模式下工作。MOPA光纖激光器的另一個重要特點是可以通過預(yù)設(shè)脈沖波形來控制脈沖形狀以及脈沖周期，這使激光的脈沖時間長度、脈沖重復(fù)頻率和峰值功率能夠在很大程度上得以分別控制。這種Q開關(guān)激光器所不具備的靈活性及更大的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，使MOPA光纖激光器具有更多的功能，能夠?qū)Χ喾N材料進行打標。

通常，能夠進行激光打標的材料是多種多樣的，金屬、塑料、陶瓷甚至是有機材料都可以進行激光打標，能否打標主要取決于材料對入射激光的吸收情況。可用于激光打標的激光器種類很多，包括波長10.6 μm的氣體激光器(CO2 激光器)；波長1.06μm的Nd：YAG和Nd：YVO4固體激光器、摻Y(jié)b光纖激光器；倍頻YAG和YVO4固體激光器；波長在可見光及紫外波段的準分子激光器等。不同的材料對激光的吸收波段是有差別的。金屬對于波長為10.6 μm的激光具有很高的反射率，因此對金屬材料進行打標選用波長為1.06 μm的激光器；而相比之下，玻璃對波長1.06 μm的光是透明的，因此使用波長為10.6 μm的激光器或紫外波段的激光器。除波長外，還有幾個決定激光器打標能力的關(guān)鍵參數(shù)，它們分別是：脈沖能量、脈沖時間長度、脈沖重復(fù)頻率、脈沖峰值功率和平均功率。

激光與材料的相互作用時存在一個閾值功率，只有激光功率達到該閾值，物理加工才能開始進行。激光打標的閾值功率一般在kW 量級。對于高反射率表面或難于進行加工的材料而言，脈沖峰值功率需要達到10 kW 以上的水平。不過對于大多數(shù)材料的打標應(yīng)用，幾千瓦的脈沖峰值功率即可滿足需要。另一個關(guān)鍵的參數(shù)是脈沖能量，一般為mJ量級。脈沖時間長度也是一個很重要的特性，因為它決定了與材料進行熱作用的時間，對標識的質(zhì)量有顯著的影響。通常情況下需要的脈沖時間長度在10~200 ns 之間。脈沖頻率是指每秒的脈沖數(shù)量(單位為Hz)，典型的激光打標系統(tǒng)的工作頻率范圍為20~80 kHz。平均功率由脈沖能量和脈沖頻率決定，平均功率值代表激光器所能提供的總能量。

金屬在打標材料中占很大的比例，如陽極氧化鋁(見圖1)、不銹鋼、銅以及鈦等。對鋁、黃銅以及銅這樣的高反射材料進行打標，需要很高的脈沖峰值功率以及足夠高的功率密度，高峰值能量下的激光打標速度可以達到500 mm/s。陽極氧化鋁表面有深色的氧化物膜，這種膜對紅外輻射的吸收較高，因此實際上需要的功率密度較低，打標速度可以達到2 m/s 。要達到上述打標速度，需要較高的脈沖重復(fù)頻率，因為如果速度太快而脈沖重疊不夠，會導(dǎo)致標識線條粗糙而不連貫；較高的脈沖頻率則可以增加脈沖重疊度，使標識線條均勻平滑。光纖激光器的工作頻率可以超過100 kHz，這也是其應(yīng)用于打標領(lǐng)域的優(yōu)勢所在。在不銹鋼材料上進行退火型打標，得到的標識是清晰的黑色標識而且在加工過程中無任何材料被去除。現(xiàn)在這種打標工藝已廣泛應(yīng)用于不銹鋼制品之上