激光標(biāo)刻應(yīng)用詳解

1、激光標(biāo)刻應(yīng)用詳解    對于工具、工件和組件進(jìn)行激光標(biāo)刻加工，具有很多方面的應(yīng)用優(yōu)勢。這種加工方式可產(chǎn)生恒久的標(biāo)刻表面，其工藝靈活多樣，不僅安全可靠，而且十分環(huán)保；它不僅能夠在平面、曲面以及形狀怪異的物體上游刃有余，而且適合在各種不同材料，甚至在其它標(biāo)刻加工可能造成破損的材料上使用。激光標(biāo)刻是一種非接觸式的熱加工方法，它根據(jù)激光束所產(chǎn)生的熱量摧毀工件表面的部分材料。顧名思義，從“激光，Laser”這個英文縮寫詞的本        對于工具、工件和組件進(jìn)行激光標(biāo)刻加工，具有很多方面的應(yīng)用

2、優(yōu)勢。這種加工方式可產(chǎn)生恒久的標(biāo)刻表面，其工藝靈活多樣，不僅安全可靠，而且十分環(huán)保；它不僅能夠在平面、曲面以及形狀怪異的物體上游刃有余，而且適合在各種不同材料，甚至在其它標(biāo)刻加工可能造成破損的材料上使用。激光標(biāo)刻是一種非接觸式的熱加工方法，它根據(jù)激光束所產(chǎn)生的熱量摧毀工件表面的部分材料。顧名思義，從“激光，Laser”這個英文縮寫詞的本義(Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation，受激輻射式光頻放大器)可知，激光是以高強(qiáng)度激光束的形式來吸收和發(fā)射能量、繼而實(shí)現(xiàn)光頻放大的。各種激光系統(tǒng)都包括某種受激介質(zhì)，這種介質(zhì)的原子可被激發(fā)而

3、產(chǎn)生自發(fā)光。受激介質(zhì)可以是某種混合氣體比如二氧化碳或氦氖氣體；可以是半導(dǎo)體基材比如激光二極管；可以是液體染料激光；也可以是某種晶體比如釹-釔鋁石榴石(Nd:YAG)、釹-氟化釔鋰晶體(Nd:YLF)或紅寶石。激光還具有一種稱為泵浦的激發(fā)能量源，也即介質(zhì)的原子。泵浦源通常以放電方式工作，采用高強(qiáng)度的光源或來自其它激光器的光束。固體釹-釔鋁石榴石激光可在各種金屬與非金屬材料的標(biāo)刻加工中使用，而且通常都采用光束控制型激光標(biāo)刻。這些激光標(biāo)刻系統(tǒng)能使射到這些材料表面的激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，就好比是鉛筆劃在紙張上一樣。不同之處在 于，鉛筆所堆積的是鉛，而高強(qiáng)度激光則摧毀工件的材料，從而形成具有一定反差的圖像。系

4、統(tǒng)的控制為了達(dá)到要求的效果，光束控制型釹-釔鋁石榴石激光標(biāo)刻系統(tǒng)提供了多種熱反應(yīng)控制方式供操作者選用，既能采用手動操作，也可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。通過增加或降低氪弧燈的電流，可以調(diào)節(jié)激光輸出的功率。隨著電流的改變，激光輸出功率和增益率也會相應(yīng)地發(fā)生變化。 釹-釔鋁石榴石激光系統(tǒng)的組成。一旦以激勵燈電流建立一定的光頻放大總量之后，操作人員就可以用Q開關(guān)調(diào)節(jié)激光的脈沖頻率。Q開關(guān)能有效地把激光輸出分割成脈沖光束。理解這一現(xiàn)象的最佳途徑，是把Q開關(guān)激光看成是一個“光學(xué)電容器”。激光的能量在不發(fā)射光束的各脈沖之間得到儲存，這與電容器十分相似。如果采用Q開關(guān)的脈沖式激光，那么輸出的脈沖光束之中包含了絕大

5、部分儲存的能量。如果將脈沖頻率設(shè)為低頻(1kHz)，則相鄰脈沖之間充電時間長，因而產(chǎn)生的峰值脈沖功率相當(dāng)高，而脈沖寬度非常窄(約為100毫微秒)。如果將脈沖頻率提高到10 kHz，則由于相鄰脈沖之間充電時間的縮短而降低了峰值功率。低頻、大功率的峰值脈沖可迅速升高工件表面的溫度，材料即刻就氣化蒸發(fā)，僅有極少熱量傳導(dǎo)到零件的內(nèi)部。激光脈沖頻率越高，產(chǎn)生的峰值功率就越低；這樣的話，如果材料發(fā)生氣化現(xiàn)象，就會形成更多的熱傳導(dǎo)。與此同時，在給定時間內(nèi)，如果有更多的脈沖，那么加工表面的熱傳導(dǎo)也會上升。Q開關(guān)的脈沖頻率可能是熱加工最重要的控制變量。脈沖頻率可隨激發(fā)光電流的變化，實(shí)現(xiàn)手動或部分程控的功能。當(dāng)激

6、光的輸出功率與激發(fā)光的電流和脈沖頻率相匹配之后，操作者就必須確定光束的移動速度即標(biāo)刻的速度。理想條件下的每一種生產(chǎn)應(yīng)用，都需要以最大的速度運(yùn)行，以獲得最高的產(chǎn)量。而對于激光標(biāo)刻來說，光束的移動速度是熱加工的另一個重要變量，必須加以正確設(shè)置，以獲得要求的加工效果。深度標(biāo)刻的典型深度在0.002英寸以上，必須以多個激光脈沖射到標(biāo)刻線的每一點(diǎn)上，才能達(dá)到所需的加工深度。為此，就必須降低激光束的行進(jìn)速度。如需進(jìn)行淺標(biāo)刻，則可增大移動速度、乃至達(dá)到系統(tǒng)的最大值。此時，脈沖頻率設(shè)定值將呈現(xiàn)相應(yīng)的熱擴(kuò)散性，最終的標(biāo)刻效果可能無法達(dá)到美觀的要求。一般的應(yīng)用規(guī)則是，激光脈沖至少應(yīng)具有50%的重疊率，被加工表面才

7、會形成一條連續(xù)的標(biāo)刻線。 由Telesis Technologies公司所開發(fā)的Express10EV激光系統(tǒng)(見上圖)，可以在高反射硅片上雕刻高分辨率的纖細(xì)文字。材料因素釹-釔鋁石榴石激光能兼容各種激光標(biāo)刻材料。某些材料的特性會影響標(biāo)刻加工的效果，這些特性包括反射率、吸收特性、導(dǎo)熱性、工件的顏色和表面光潔度。激光必須被吸收，才能產(chǎn)生熱量。如果被加工的材料對激光具有很強(qiáng)的反射性，就需要增大激光的功率，降低脈沖頻率，從而獲得更高的峰值功率。另外，還可以降低光束移動的速度。對于反光性材料，可能就根本無法進(jìn)行標(biāo)刻加工。多數(shù)的金屬材料都可以吸收釹-釔鋁石榴石激光，其波長為1.06毫米，因而很容易進(jìn)行標(biāo)

8、刻加工。金的反射性很強(qiáng)，因而需要更大功率的激光。有的有機(jī)材料(比如木材和紙張)，幾乎能100%反射光線，因此無法標(biāo)刻。激光的種類密封型二氧化碳激光：采用表面變色方式，標(biāo)刻成本較低。適用于塑料、涂料漆、油墨、陶瓷和其它非金屬材料。Stab二氧化碳激光：適用于非金屬材料表面的深層修整。二極管泵浦釹-釔鋁石榴石固體激光器(DPSS)：光束質(zhì)量高，脈沖穩(wěn)定性好。適用于細(xì)小字的深度透雕。脈沖摻釹-釔鋁石榴石激光：非常高的峰值脈沖功率，可用于深度標(biāo)刻和寬幅標(biāo)刻。三倍頻釹-釔鋁石榴石激光：屬于紫外線波段，可產(chǎn)生微雕所需的最窄線寬；具有多種特種材料所需的最適宜波長。二倍頻釹-釔鋁石榴石激光：屬于綠色可見光波段

9、，適用于細(xì)線寬的小字雕刻；最適用于金、多種合成材料和塑料。Q開關(guān)釹-釔鋁石榴石激光：峰值功率高，脈沖寬度窄，適用于深度透雕/雕刻。最適用于多數(shù)金屬材料和許多非金屬材料。如果存在反射率的問題，則采用二倍頻激光所獲得的標(biāo)刻效果更好一些。這種激光的波長為532納米，屬于綠色可見光。采用波長為10.6微米(遠(yuǎn)紅外區(qū)域)的二氧化碳激光標(biāo)刻系統(tǒng)，也能得到令人滿意的效果。各種材料的吸收率都隨溫度而發(fā)生變化。由于激光標(biāo)刻過程會升高材料的表面溫度，因而吸收率呈顯著增加的材料，就可能無法進(jìn)行標(biāo)刻加工。比方說，有些塑料具有較陡的吸收率-溫度曲線，因而幾乎就無法獲得美觀的標(biāo)刻效果。激光束剛照射到這些材料上，表面溫度和熱量吸收率就急劇上升了。更糟糕的是，由于這些材料吸收了大量的能量，溫度迅速升高，因而造成熱量吸收率的進(jìn)一步上升。僅需毫秒級的片刻工夫，這些材料就發(fā)生了氣化蒸發(fā)。如果降低激光的功率，并嘗試補(bǔ)償和控制加工過程，就有可能使熱量無法被充分吸收