激光打標(biāo)的現(xiàn)狀及其發(fā)展

激光打標(biāo)的現(xiàn)狀及其發(fā)展概述

激光打標(biāo)是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標(biāo)記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實(shí)用性的提高，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進(jìn)，促進(jìn)了激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。

激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光束對(duì)目標(biāo)作用,使目標(biāo)表面發(fā)生物理或化學(xué)的變化,從而獲得可見圖案的標(biāo)記方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動(dòng)同時(shí)控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個(gè)指定的圖案。激光打標(biāo)與傳統(tǒng)的標(biāo)記工藝相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1)標(biāo)記速度快，字跡清晰、永久。

(2)非接觸式加工，污染小，無磨損。

(3)運(yùn)作方便，防偽功能強(qiáng)。

(4)可以做到高速自動(dòng)化運(yùn)行，生產(chǎn)成本低

二．國(guó)內(nèi)激光打標(biāo)的發(fā)展歷程

激光打標(biāo)設(shè)備的核心是激光打標(biāo)控制系統(tǒng)，因此，激光打標(biāo)的發(fā)展歷程就是打標(biāo)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程。從1995年到2003年短短的8年時(shí)間，控制系統(tǒng)在激光打標(biāo)領(lǐng)域就經(jīng)歷了大幅面時(shí)代、轉(zhuǎn)鏡時(shí)代和振鏡時(shí)代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機(jī)控制到實(shí)時(shí)處理、分時(shí)復(fù)用的一系列演變，如今，半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對(duì)光學(xué)過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。

1．大幅面時(shí)代

所謂大幅面，剛開始是將繪圖儀的控制部分直接用于激光設(shè)備上，將繪圖筆取下，在（0，0）點(diǎn)X軸基點(diǎn)、Y軸基點(diǎn)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(dǎo)通光路及使光束聚焦。直接用繪圖軟件輸出打印命令即可驅(qū)動(dòng)光路的運(yùn)行，這種方式最明顯的優(yōu)勢(shì)是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標(biāo)刻要求，不需要專用的標(biāo)刻軟件；但是，這種方式存在著打標(biāo)速度慢、控制精度低、筆臂機(jī)械磨損大、可靠性差、體積大等缺點(diǎn)。因此，在經(jīng)歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光打標(biāo)系統(tǒng)逐步退出打標(biāo)市場(chǎng)的，現(xiàn)在所應(yīng)用的同類型的大幅面設(shè)備基本上都是模仿以前這種控制過程，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速大幅面系統(tǒng)，而隨著三維動(dòng)態(tài)聚焦振鏡式掃描系統(tǒng)的逐步完善，大幅面系統(tǒng)將逐步從激光標(biāo)刻領(lǐng)域銷聲匿跡。

2．轉(zhuǎn)鏡時(shí)代

由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點(diǎn)，在高速振鏡技術(shù)還沒有在中國(guó)廣泛普及的情況下，一些控制工程師自行開發(fā)了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，其工作原理是將從諧振腔中導(dǎo)出的激光通過擴(kuò)束，經(jīng)過成90°安裝的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的金鏡的反射，由F-theta場(chǎng)鏡聚焦后輸出作用于處理對(duì)象上，金鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)使工作平面上的激光作用點(diǎn)分別在X、Y軸上移動(dòng)，兩個(gè)鏡面協(xié)同動(dòng)作使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動(dòng)。這種控制過程無論從速度還是定位精度來說都遠(yuǎn)超過大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對(duì)激光控制的要求，雖然同當(dāng)時(shí)國(guó)際上流行的振鏡式掃描系統(tǒng)還有比較明顯的差距，但嚴(yán)格來說這種設(shè)計(jì)思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國(guó)激光應(yīng)用的一個(gè)里程碑，是中國(guó)完全能自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)激光應(yīng)用設(shè)備的典型標(biāo)志。直到振鏡在中國(guó)大規(guī)模應(yīng)用的興起，這種控制方式才逐步退出中國(guó)激光應(yīng)用的舞臺(tái)。

3．振鏡時(shí)代

1998年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用開始到來。所謂振鏡，又可以稱之為電流表計(jì)，它的設(shè)計(jì)思路完全沿襲電流表的設(shè)計(jì)方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制的-5V—5V的直流信號(hào)取代，以完成預(yù)定的動(dòng)作。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對(duì)折返鏡，不同的是，驅(qū)動(dòng)這套鏡片的步進(jìn)電機(jī)被伺服電機(jī)所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感器的使用和負(fù)反饋回路的設(shè)計(jì)思路進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的精度，整個(gè)系統(tǒng)的掃描速度和重復(fù)定位精度達(dá)到一個(gè)新的水平。

三．國(guó)內(nèi)激光打標(biāo)的技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的激光打標(biāo)按其工作方式可分為掩模式打標(biāo)、陣列式打標(biāo)和掃描式打標(biāo)。

1．掩模式打標(biāo)

掩模式打標(biāo)又叫投影式打標(biāo)。掩模式打標(biāo)系統(tǒng)由激光器、掩模板和成像透鏡組成，其工作原理是在一塊模板上，將待打標(biāo)的數(shù)字、字符、條碼、圖像等雕空，做成掩模，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)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(gè)脈沖即可形成一個(gè)標(biāo)記。受激光輻射的材料表面被迅速加熱汽化或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生顏色變化形成可分辨的清晰標(biāo)記。掩模式打標(biāo)一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打標(biāo)主要優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)激光脈沖一次就能打出一個(gè)完整的、包括幾種符號(hào)的標(biāo)記，因此打標(biāo)速度快。對(duì)于大批量產(chǎn)品，可在生產(chǎn)線上直接打標(biāo)。缺點(diǎn)是打標(biāo)靈活性差，能量利用率低。

2．陣列式打標(biāo)

陣列式打標(biāo)系統(tǒng)是使用幾臺(tái)小型激光器同時(shí)發(fā)射脈沖，經(jīng)反射鏡和聚焦透鏡后，使幾個(gè)激光脈沖在被打標(biāo)材料表面上燒蝕（熔化）出大小及深度均勻的小凹坑，每個(gè)字符、圖案都是由這些小圓黑凹坑構(gòu)成的，一般是橫筆劃5個(gè)點(diǎn)，豎筆劃7個(gè)點(diǎn)，從而形成5×7的陣列。陣列式打標(biāo)一般采用小功率射頻激勵(lì)CO2激光器，其打標(biāo)速度最高可達(dá)6000字符／妙，因而成為高速在線打標(biāo)的理想選擇，其缺點(diǎn)是只能標(biāo)記點(diǎn)陣字符，且只能達(dá)到5×7的分辨率，對(duì)于漢字無能為力。

3．掃描式打標(biāo)

掃描式打標(biāo)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、激光器和X-Y掃描機(jī)構(gòu)三部分組成，其工作原理是將需要打標(biāo)的信息輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照事先設(shè)計(jì)好的程序控制激光器和X-Y掃描機(jī)構(gòu)，使經(jīng)過特殊光學(xué)系統(tǒng)變換的高能量激光點(diǎn)在被加工表面上掃描運(yùn)動(dòng)，形成標(biāo)記。

通常X-Y掃描機(jī)構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是機(jī)械掃描式，另一種是振鏡掃描式。

(1)機(jī)械掃描式

機(jī)械掃描式打標(biāo)系統(tǒng)不是采用通過改變反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度去移動(dòng)光束，而是通過機(jī)械的方法對(duì)反射鏡進(jìn)行X-Y坐標(biāo)的平移，從而改變激光束到達(dá)工件的位置，這種打標(biāo)系統(tǒng)的X-Y掃描機(jī)構(gòu)通常是用繪圖儀改裝（如圖3所示）。其工作過程：激光束經(jīng)過反光鏡以大大縮小激光器冷卻系統(tǒng)的體積，這就為激光打標(biāo)機(jī)向輕型化、小型化方向發(fā)展創(chuàng)造了條件。而近年來出現(xiàn)的大功率光纖激光器，其散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高（是半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器的2倍以上）、激光閾值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、免維護(hù)和價(jià)格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢(shì)，更加促進(jìn)了激光打標(biāo)向輕型化、小型化方向發(fā)展。

激光打標(biāo)技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外工業(yè)上的應(yīng)用正被人們逐漸重視，各種新型的打標(biāo)系統(tǒng)層出不窮，它以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)正在取代傳統(tǒng)的標(biāo)記方法，如：沖壓、印刷、化學(xué)腐蝕等,在各種機(jī)械零部件、電子元器件、集成電路模塊、儀器、儀表、電機(jī)銘牌、工具甚至食品包裝等物體表面上,標(biāo)記出漢字、英文字符、數(shù)字、圖形等，從而在這些領(lǐng)域取得