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激光打标
为您的应用选择最佳激光打标方案
材料来源:激光世界           录入时间:2011-1-31 10:20:22

Geoff Shannon,Miyachi Unitek公司激光技术经理

激光打标作为一种快速、清洁的产品标记技术,正在快速取代传统老旧的产品标记技术,特别是喷墨技术。随着市场对产品零件的跟踪以及可追溯性要求的不断增强,特别是在医疗设备、汽车和航空等应用领域,这些需求正在驱动零件信息直接标记应用呈指数增长。

 鉴于市场上对直接打标的广泛需求,激光打标技术正日益获得广泛的市场青睐。这些直接标识在零件上的信息,通常是容易被识读的字母、数字、条形码或Data-MatrixTM代码。激光打标技术凭借其简单灵活的自动化打标方式、对环境的友好性以及较低的拥有成本等优势,而备受市场欢迎。目前,市场上存在着多种激光打标方案,每种打标方案都有其自身的标记特性以及适合标记的材料范围,用户在选择时,需要根据具体的应用需求,选择最为合适的激光打标方案。

激光打标简介

激光打标是利用从激光器中输出的聚焦光束与被标记的目标物体相互作用,从而在目标物体上形成高品质的永久性标记。图1给出了典型的激光打标机的原理示意图。从激光器中输出的光束,由安装在高速精密电机上的两个反射镜控制,以实现光束的运动打标。每个反射镜都沿着单一的轴线运动。电机的运动速度非常快,并且惯性非常小,从而能够实现对目标物体的快速打标。经过反射镜引导的光束利用F-θ透镜聚焦,焦点位于被标记的平面上。当该聚焦光束与被标记物体相互作用时,物体就被“打上标记”了。除了被打标的位置,物体的其他表面仍然保持不变。

 

图1:典型的激光打标机的原理示意图。

通常,激光打标系统主要由通过软件和硬件与一个高速、精密的运动系统耦合到一起的高度灵活、可控的激光源构成。除了能够实现打标加工外,激光打标系统通常还具备切割、钻孔、抛光、划线、刮削等机械加工能力。

在激光打标系统中,利用软件控制激光束,进而实现文字、图形、商标、条形码和Data-Matrix代码等内容的打标。通过软件控制实现的自动化打标功能,使激光打标系统能够实现零件序列化打标、日期编码、可变文本输入、远程编程、输入/输出控制和许多其他的编程特性。

激光能够快速在金属和塑料上实现精密、清洁的标记,这使得激光打标适合大多数制造过程。激光还可用于表面雕刻(一种与打标类似的过程),能够在零件表示上雕刻出既能被人眼看到、又能被手感触到的标记,这是一种改变零件表面的加工方式。

激光打标是一种非接触加工过程,整个加工过程不需要任何耗材,非常清洁,而且颇具能源效益。此外,与传统的打标方式相比,激光打标也是一种非常环保的加工过程,该过程无需使用任何油墨或其他化学物品。激光打标过程能够实现高度灵活性的标记过程,以满足不断变化的打标需求。激光打标适合标记的材料范围非常广泛,这些材料包括钢材、铝、聚烯烃、工程和医用塑料、硅以及许多其他材料。

激光打标非常适合在材料表面上标记条形码和二维条码。所标记代码的质量和分辨率,可以根据被标记表面的空间大小和用户要求调节。总之,激光打标系统能够实现卓越的打标数据密度,同时还能减少标记代码所需要的空间。

 选择合适的激光打标方案

目前市场上存在的激光打标方案所使用的激光器主要有:掺镱光纤激光器、Nd:YVO4激光器、绿光(532nm)激光器、紫外线(UV)激光器和CO2激光器。另外,还有一些高功率应用仍在使用Nd:YAG激光器,当然随着技术的发展,Nd:YAG激光器已经逐渐被上述其他几种激光器所取代。

上述每种激光器提供不同的输出波长,并且具有不同的峰值功率和脉冲宽度等光学属性。绿光激光器和紫外激光器通常是将YVO4激光器的输出借助晶体元件倍频,将输出光的波长从1064nm分别变换到532nm和355nm。根据所要标记的材料、以及用户对标记的清晰度、字符大小和输入到零件的热量等要求,不同的激光波长适用于不同的应用。图2给出了适用于打标应用的不同的激光波长。下面将逐一介绍不同的激光器所提供的打标特征及其适用领域。
      

图2:适合用于打标应用的不同的激光波长。

 

镱光纤打标机:打标质量好,成本效益高

镱光纤激光器使用从掺镱光纤中输出的激光,其泵浦源采用电信级单管式二极管。这种二极管具备长达10万小时的使用寿命。除了使用寿命长的优势外,光纤激光器还具有较高的能源效率和较少的维护需求,从而其具有最低的拥有成本。

 掺镱光纤激光打标机已经成为目前市场上最常用的激光打标技术之一。光纤激光器打标机能够在金属和塑料材料上实现高质量、对比鲜明的打标,另外其还能用于金属雕刻以及加工其他广泛的材料。图3显示了一个用光纤激光打标机标记的一个产品实例,图中被标记的材料是玻璃纤维(glass-filled plastic)。

  

图3:光纤激光打标机在玻璃纤维材料上实现的打标效果。
 

 NdYVO4打标机:专为精细打标而设计

Nd:YVO4激光打标机专为高分辨率精细打标应用而设计,这些应用往往需要标记出精密的细节特征或者是非常小的特征尺寸。凭借优良的光束质量和小于0.001英寸(25μm)的焦点尺寸,Nd:YVO4激光打标机能够在金属、塑料和陶瓷材料上实现精细打标。此外,由于Nd:YVO4激光器能够实现非常高的激光峰值功率(大于30kW)和非常短的脉冲宽度(小于20ns),这也为实现高分辨率打标提供了所需要的控制水平。


         绿光激光打标机:适用于某些塑料、硅及反光金属

输出可见绿光的激光器工作在532nm波长,其能在塑料材料上实现对比度清晰的打标、能够在硅材料上实现软打标,还能在金和银等反光性材料上实现高质量打标。
 

 紫外激光打标机:实现塑料和耐腐蚀性材料的极高分辨率打标

紫外激光打标机的输出波长为355nm,可提供独特的打标特性,其能在许多其他激光无法打标的塑料上获得对比度极佳的打标效果,例如可用于标记医用导管和高度耐腐蚀的17-X不锈钢材料。与光纤激光器、Nd:YVO4激光器甚至是绿光激光器相比,紫外激光器几乎能在所有材料上实现最好的打标质量。355nm波长进一步增加了能够标记的塑料材料的范围,此外用其在金属材料上打标的时候,还能严格控热量输入。

 CO2激光打标机:标记印刷电路板、纸张和木材的最佳选择
        CO2激光器的工作物质由密闭在一个减压铝管中的气体组合而成。CO2激光器的泵浦能量由射频(RF)能量提供。CO2激光打标机能够标记塑料,但是标记是雕刻上去的,没有表面对比度。CO2激光打标机的工作波长为10604nm,该波长可广泛用于标记纸张和木材等有机材料,同时也能标记印刷电路板(PCB)和玻璃。CO2激光打标机不适合标记裸铝、铜或黄铜和钢材。图4显示了CO2激光打标机在PCB电路板上实现的打标效果。
       

图4:CO2激光打标机在PCB电路板上获得的打标效果。
 

NdYAG激光打标机:老旧的激光雕刻技术

Nd:YAG激光打标机主要用于大面积金属打标(表面效应)和深雕应用(深度效应)。这些应用通常要求较高的激光功率。目前,尽管Nd:YAG激光打标机已经在很大程度上被其他激光打标机所取代,但是其仍在高功率(50~100W)应用领域广泛使用。随着Nd:YAG激光打标技术逐渐被淘汰,以及光纤激光打标系统总体拥有成本的大幅降低,光纤激光打标技术作为一股不断发展的新生力量,正开始在高功率市场应用中获得更多市场份额。

几乎需要直接标记或雕刻的所有应用,都有着各种各样的标记选择,激光打标技术为直接标记过程提供了一种最新的解决方案。激光打标的优点包括:永久性的标记质量;可标记文本、图形、标识和数据代码;高度灵活的标记方式;可标记的材料范围广泛。此外,激光打标是一种高速加工过程,其能很容易地集成到用户的生产线中。而且,激光打标还是一种非接触加工过程,这使其安全性进一步增强,并且整个加工过程不需要任何化学品,因此对环境也非常友好。


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