光纤激光打标 性能(néng)

打标速度快、适应性强以及免维护操作等优点使光纤激光打标机迅速成為(wèi)塑料及金属材料打标的首先选择。

当今，几乎所有(yǒu)产品上都带有(yǒu)某种形式的标识，标识的内容包括条码、产品序列号、公司标志(zhì)以及生产日期等。产品标识除了有(yǒu)助于消费者了解产品信息外，对生产厂家防止假冒、创造品牌效应也有(yǒu)非常重要的作用(yòng)，所以现在生产厂家对产品标识越来越重视，甚至传统上不需要有(yǒu)标识的裸装产品，如鸡蛋、苹果等也已经有(yǒu)带标识的产品出现。激光打标现已成為(wèi)产品标识制作的一种常用(yòng)技术，应用(yòng)范围越来越广泛。随着激光打标机性能(néng)的提高和价格的下降，激光打标也由以前的外加工方式逐渐趋向于厂商(shāng)拥有(yǒu)自己的激光打标机，未来几年激光打标机将会面临市场快速扩张的机遇。激光打标技术已经有(yǒu)20 年以上的历史，现已稳步占据了一部分(fēn)曾经被传统打标技术，如電(diàn)火花(huā)、腐蚀、机械刻划以及喷墨打印等统治的市场。激光打标能(néng)够逐步取代喷墨打印主要有(yǒu)2 个方面的原因，一是喷墨打印所使用(yòng)的油墨、颜料及溶剂会引起环境问题，另一方面喷墨打印的持久性也有(yǒu)问题，因為(wèi)这样的标记多(duō)数都能(néng)使用(yòng)溶剂除去。相比之下，激光打标则能(néng)够在各种材料上产生清晰、持久的标记。所以近年来激光打标逐渐受到用(yòng)户的青睐，应用(yòng)范围日益广泛。

现在，用(yòng)于激光打标的激光器主要是波長(cháng)1.06 μm的Nd：YAG和Nd：YVO4 固體(tǐ)激光器。但是，效率和可(kě)靠性更高且成本更低的掺Yb光纤激光器已经开始挑战以上2 种固體(tǐ)激光器的地位。光纤激光器自几年前步入实用(yòng)化阶段便迅速吸引了人们的注意力。目前，光纤激光器已占所有(yǒu)新(xīn)生产激光打标设备的20%，并且对激光打标市场的渗透仍在继续。现在，光纤激光器中用(yòng)于激光打标的主力机型是脉冲重复频率<100 kHz的Q开关光纤激光器，它正与常规的Nd：YAG激光器进行激烈的竞争。这种Q开关光纤激光器有(yǒu)固定的、约200ns的脉冲宽度，脉冲峰值功率也不是很(hěn)高， 但非常适用(yòng)于一般的打标应用(yòng)。

基于由种源进行直接调制的主振荡器功率放大器(MOPA)的光纤激光器，具有(yǒu)比常规Q 开关激光器更宽的工作范围。这种激光器具有(yǒu)更高的脉冲峰值功率，并且能(néng)够在更宽的频率范围内工作。例如，MOPA光纤激光器在脉冲重复频率為(wèi)25 kHz，平均输出功率為(wèi)20 W时，脉冲峰值功率可(kě)以达到14 kW，工作频率范围可(kě)以达到1~500 kHz，也可(kě)以在连续模式下工作。MOPA光纤激光器的另一个重要特点是可(kě)以通过预设脉冲波形来控制脉冲形状以及脉冲周期，这使激光的脉冲时间長(cháng)度、脉冲重复频率和峰值功率能(néng)够在很(hěn)大程度上得以分(fēn)别控制。这种Q开关激光器所不具备的灵活性及更大的参数调节范围，使MOPA光纤激光器具有(yǒu)更多(duō)的功能(néng)，能(néng)够对多(duō)种材料进行打标。

通常，能(néng)够进行激光打标的材料是多(duō)种多(duō)样的，金属、塑料、陶瓷甚至是有(yǒu)机材料都可(kě)以进行激光打标，能(néng)否打标主要取决于材料对入射激光的吸收情况。可(kě)用(yòng)于激光打标的激光器种类很(hěn)多(duō)，包括波長(cháng)10.6 μm的气體(tǐ)激光器(CO2 激光器)；波長(cháng)1.06μm的Nd：YAG和Nd：YVO4固體(tǐ)激光器、掺Yb光纤激光器；倍频YAG和YVO4固體(tǐ)激光器；波長(cháng)在可(kě)见光及紫外波段的准分(fēn)子激光器等。不同的材料对激光的吸收波段是有(yǒu)差别的。金属对于波長(cháng)為(wèi)10.6 μm的激光具有(yǒu)很(hěn)高的反射率，因此对金属材料进行打标选用(yòng)波長(cháng)為(wèi)1.06 μm的激光器；而相比之下，玻璃对波長(cháng)1.06 μm的光是透明的，因此使用(yòng)波長(cháng)為(wèi)10.6 μm的激光器或紫外波段的激光器。除波長(cháng)外，还有(yǒu)几个决定激光器打标能(néng)力的关键参数，它们分(fēn)别是：脉冲能(néng)量、脉冲时间長(cháng)度、脉冲重复频率、脉冲峰值功率和平均功率。

激光与材料的相互作用(yòng)时存在一个阈值功率，只有(yǒu)激光功率达到该阈值，物(wù)理(lǐ)加工才能(néng)开始进行。激光打标的阈值功率一般在kW 量级。对于高反射率表面或难于进行加工的材料而言，脉冲峰值功率需要达到10 kW 以上的水平。不过对于大多(duō)数材料的打标应用(yòng)，几千瓦的脉冲峰值功率即可(kě)满足需要。另一个关键的参数是脉冲能(néng)量，一般為(wèi)mJ量级。脉冲时间長(cháng)度也是一个很(hěn)重要的特性，因為(wèi)它决定了与材料进行热作用(yòng)的时间，对标识的质量有(yǒu)显著的影响。通常情况下需要的脉冲时间長(cháng)度在10~200 ns 之间。脉冲频率是指每秒(miǎo)的脉冲数量(单位為(wèi)Hz)，典型的激光打标系统的工作频率范围為(wèi)20~80 kHz。平均功率由脉冲能(néng)量和脉冲频率决定，平均功率值代表激光器所能(néng)提供的总能(néng)量。

金属在打标材料中占很(hěn)大的比例，如阳极氧化铝(见图1)、不锈钢、铜以及钛等。对铝、黄铜以及铜这样的高反射材料进行打标，需要很(hěn)高的脉冲峰值功率以及足够高的功率密度，高峰值能(néng)量下的激光打标速度可(kě)以达到500 mm/s。阳极氧化铝表面有(yǒu)深色的氧化物(wù)膜，这种膜对红外辐射的吸收较高，因此实际上需要的功率密度较低，打标速度可(kě)以达到2 m/s 。要达到上述打标速度，需要较高的脉冲重复频率，因為(wèi)如果速度太快而脉冲重叠不够，会导致标识線(xiàn)条粗糙而不连贯；较高的脉冲频率则可(kě)以增加脉冲重叠度，使标识線(xiàn)条均匀平滑。光纤激光器的工作频率可(kě)以超过100 kHz，这也是其应用(yòng)于打标领域的优势所在。在不锈钢材料上进行退火型打标，得到的标识是清晰的黑色标识而且在加工过程中无任何材料被去除。现在这种打标工艺已广泛应用(yòng)于不锈钢制品之上