激光打標
激光打標
激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等，字元大小可以從毫米到微米量級，這對產品的防偽有特殊的意義。激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產生內應力，適於金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的標記。由於看到大幅面系統的一系列缺點，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了由步進電機驅動的轉鏡式掃描系統，其工作原理是將從諧振腔中導出的激光通過擴束，經過成90°安裝的兩個步進電機驅動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用於處理對象上，金鏡的轉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。
激光打標作為一種現代精密加工方法，與腐蝕，電火花加工，機械刻劃，印刷等傳統的加工方法相比，具有無與倫比的優勢：
1．採用激光做加工手段，與工件之間沒有加工力的作用，具有無接觸，無切削力，熱影響小的優點，保證了工件的原有精度。同時，對材料的適應性較廣，可以在多種材料的表面製作出非常精細的標記且耐久性非常好；
2．激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質，形狀，尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用於自動化加工和特殊面加工。且加工方式靈活，既可以適應實驗室式的單項設計的需要，也可以滿足工業化大批量生產的要求；
3．激光刻劃精細，線條可以達到毫米到微米量級，採用激游標刻技術製作的標記仿造和更改都非常困難，對產品防偽極為重要；
4．激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，可以打出各種文字，符號和圖案，易於用軟體設計標刻圖樣，更改標記內容，適應現代化生產高效率，快節奏的要求；
5．激光加工沒有污染源，是一種清潔無污染的高環保加工技術；
6.能標記任意圖形、文字、條形碼、二維碼，可實現自動編號，列印序列號、批號、日期。
7. 激游標記后，不會因環境關係（如潮濕、酸性及鹼性）自然消退，而是永久保持，不易被人假冒，具有良好的防偽功能。
8. 圖文精美、加工快捷、個性化設計
激光打標技術具有以下的特點
1.可對絕大多數金屬或非金屬材料進行加工。
2.激光是以非機械式的“刀具”進行加工，對材料不產生機械擠壓或機械應力，無“刀具”磨損，無毒，很少造成環境污染。
3.激光束很細，使被加工材料的消耗很小。
4.加工時，不像電子束轟擊等加工方法那樣產生X射線，也不會受電場和磁場的干擾。
5.激光打標操作簡單，使用微機數控技術能實現自動化加工，能用於生產線上對零部件進行高效率加工，能作為柔性加工系統的一部分。
6.使用精密工作台能進行精細微加工。
7.使用顯微系統或攝像系統，能對被加工表面狀況進行觀察或監控。
8.激光打標可以穿過透光物質（如石英、玻璃）對其內部零件進行加工。
9.可以利用稜鏡、反射系統將光束聚集到工件的內表面或傾斜表面上進行加工。
10.能標記條形碼、數字、字元、圖案等標誌。
11.使用激光打標可以使標誌的線寬可小至20μm，線深度可達10mm以下，故能對“好密集”尺寸大小的零件表面進行標記。
激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產生內應力，適於金屬、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、氣門、閥座、五金工具、衛生潔具、電子元器件等)進行打標，且標記耐磨，生產工藝易實現自動化，被標記部件變形小。
激光打標設備的核心是激光打標控制系統，因此，激光打標的發展歷程就是打標控制系統的發展過程。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統在激光打標領域就經歷了大幅面時代、轉鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟體直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復用的一系列演變，如今，半導體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現和發展又對光學過程式控制制提出了新的挑戰。
所謂大幅面，剛開始是將繪圖儀的控制部分直接用於激光設備上，將繪圖筆取下，在（0，0）點X軸基點、Y軸基點和原繪圖筆的位置上分別安裝45°折返鏡，在原繪圖筆位置下端安裝小型聚焦鏡，用以導通光路及使光束聚焦。直接用繪圖軟體輸出列印命令即可驅動光路的運行，這種方式最明顯的優勢是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標刻要求，不需要專用的標刻軟體；但是，這種方式存在著打標速度慢、控制精度低、筆臂機械磨損大、可靠性差、體積大等缺點。因此，在經歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光打標系統逐步退出打標市場的，所應用的同類型的大幅面設備基本上都是模仿以前這種控制過程，用伺服電機驅動的高速大幅面系統，而隨著三維動態聚焦振鏡式掃描系統的逐步完善，大幅面系統將逐步從激游標刻領域銷聲匿跡。
由於看到大幅面系統的一系列缺點，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了由步進電機驅動的轉鏡式掃描系統，其工作原理是將從諧振腔中導出的激光通過擴束，經過成90°安裝的兩個步進電機驅動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用於處理對象上，金鏡的轉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還有比較明顯的差距，但嚴格來說這種設計思路的出現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激光應用設備的典型標誌。直到振鏡在中國大規模應用的興起，這種控制方式才逐步退出中國激光應用的舞台。
1998年，振鏡式掃描系統在中國的大規模應用開始到來。[所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設計思路完全沿襲電流表的設計方法，鏡片取代了錶針，而探頭的信號由計算機控制的-5V—5V的直流信號取代，以完成預定的動作。同轉鏡式掃描系統相同，這種典型的控制系統採用了一對摺返鏡，不同的是，驅動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統中，位置感測器的使用和負反饋迴路的設計思路進一步保證了系統的精度，整個系統的掃描速度和重複定位精度達到一個新的水平。
目前國內的激光打標按其工作方式可分為掩模式打標、陣列式打標和掃描式打標。
掩模式打標又叫投影式打標。掩模式打標系統由激光器、掩模板和成像透鏡組成，其工作原理，經過望遠鏡擴束的激光，均勻的投射在事先做好的掩模板上，光從雕空部分透射。掩模板上的圖形通過透鏡成像到工件（焦面）上。通常每個脈衝即可形成一個標記。受激光輻射的材料表面被迅速加熱汽化或產生化學反應，發生顏色變化形成可分辨的清晰標記。掩模式打標一般採用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打標主要優點是一個激光脈衝一次就能打出一個完整的、包括幾種符號的標記，因此打標速度快。對於大批量產品，可在生產線上直接打標。缺點是打標靈活性差，能量利用率低。
它是使用幾台小型激光器同時發射脈衝，經反射鏡和聚焦透鏡后，使幾個激光脈衝在被打標材料表面上燒蝕（熔化）出大小及深度均勻的小凹坑，每個字元、圖案都是由這些小圓黑凹坑構成的，一般是橫筆劃5個點，豎筆劃7個點，從而形成5×7的陣列。陣列式打標一般採用小功率射頻激勵CO2激光器，其打標速度最高可達6000字元/妙，因而成為高速在線打標的理想選擇，其缺點是只能標記點陣字元，且只能達到5×7的解析度，對於漢字無能為力。
掃描式打標系統由計算機、激光器和X-Y掃描機構三部分組成，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，使經過特殊光學系統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掃描機構有兩種結構形式：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不是採用通過改變反射鏡的旋轉角度去移動光束，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，這種打標系統的X-Y掃描機構通常是用繪圖儀改裝。其工作過程：激光束經過反光鏡①、②轉折光路后，再經過光筆（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（一般通過並口輸出控制信號），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主要由激光器、XY偏轉鏡、聚焦透鏡、計算機等構成。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，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永久的標記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形。
在振鏡打標系統中，可以採用矢量圖形及文字，這種方法採用了計算機中圖形軟體對圖形的處理方式，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量和速度。同時振鏡式打標也可採用點陣式打標方式，採用這種方式對於在線打標很適用，根據於不同速度的生產線可以採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，對於標記漢字字元具有更大的優。
振鏡掃描式打標系統一般使用連續光泵工作波長為1.06μm的Nd:YAG激光器，輸出功率為10～120W，激光輸出可以是連續的，也可以是Q開關調製的。發展的射頻激勵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範圍廣，可進行矢量打標和點陣打標，標記範圍可調，而且具有響應速度快、打標速度高（每秒鐘可打標幾百個字元）、打標質量較高、光路密封性能好、對環境適應性強等優勢已成為主流產品，並被認為代表了未來激光打標機的發展方向，具有廣闊的應用前景。
用於打標的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器產生的激光能被金屬和絕大多數塑料很好地吸收，而且其波長短(為1.06μm)，聚焦的光斑小，因而最適合在金屬等材料上進行高清晰度的標記。CO2激光器產生的激光波長為10.6μm，木製品、玻璃、聚合物和多數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，由準分子激光器產生的紫外光打標時，不加熱物質，只蒸發物質的表面，在表面組織產生光化學效應，而在物質表層留下標記。所以，用準分子激光打標時，標記邊緣十分清晰。由於材料對紫外光的吸收大，激光對材料的作用只發生在材料的最表層，對材料幾乎沒有燒損現象，因此準分子激光器更適合於材料的標記。
國防科學技術大學計算機學院
黑龍江八一農墾大學
北京理工大學珠海學院
CDPD網路制式
浙江樹人大學
GPRS網路制式
黃河科技大學
基本信息
- 原理
- 高能量密度的激光
- 表現
- 表層材料汽化或發生顏色變化
- 應用領域
- 激光加工