激光打標的現(xiàn)狀及其發(fā)展

激光打標的現(xiàn)狀及其發(fā)展概述

激光打標是在激光焊接、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、無磨損的新標記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進，促進了激光打標技術(shù)的發(fā)展。

激光打標是利用高能量密度的激光束對目標作用,使目標表面發(fā)生物理或化學(xué)的變化,從而獲得可見圖案的標記方式。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)律地移動同時控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個指定的圖案。激光打標與傳統(tǒng)的標記工藝相比有明顯的優(yōu)點：

(1)標記速度快，字跡清晰、永久。

(2)非接觸式加工，污染小，無磨損。

(3)運作方便，防偽功能強。

(4)可以做到高速自動化運行，生產(chǎn)成本低

二．國內(nèi)激光打標的發(fā)展歷程

激光打標設(shè)備的核心是激光打標控制系統(tǒng)，因此，激光打標的發(fā)展歷程就是打標控制系統(tǒng)的發(fā)展過程。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統(tǒng)在激光打標領(lǐng)域就經(jīng)歷了大幅面時代、轉(zhuǎn)鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復(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)展又對光學(xué)過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。

1．大幅面時代

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(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)動光路的運行，這種方式最明顯的優(yōu)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件；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(jīng)歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光打標系統(tǒng)逐步退出打標市場的，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，用伺服電機驅(qū)動的高速大幅面系統(tǒng)，而隨著三維動態(tài)聚焦振鏡式掃描系統(tǒng)的逐步完善，大幅面系統(tǒng)將逐步從激光標刻領(lǐng)域銷聲匿跡。

2．轉(zhuǎn)鏡時代

由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點，在高速振鏡技術(shù)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(fā)了由步進電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，其工作原理是將從諧振腔中導(dǎo)出的激光通過擴束，經(jīng)過成90°安裝的兩個步進電機驅(qū)動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用于處理對象上，金鏡的轉(zhuǎn)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(xié)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(yè)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(tǒng)還有比較明顯的差距，但嚴格來說這種設(shè)計思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國激光應(yīng)用的一個里程碑，是中國完全能自行設(shè)計和生產(chǎn)激光應(yīng)用設(shè)備的典型標志。直到振鏡在中國大規(guī)模應(yīng)用的興起，這種控制方式才逐步退出中國激光應(yīng)用的舞臺。

3．振鏡時代

1998年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國的大規(guī)模應(yīng)用開始到來。所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設(shè)計思路完全沿襲電流表的設(shè)計方法，鏡片取代了表針，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(yù)定的動作。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對折返鏡，不同的是，驅(qū)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(tǒng)中，位置傳感器的使用和負反饋回路的設(shè)計思路進一步保證了系統(tǒng)的精度，整個系統(tǒng)的掃描速度和重復(fù)定位精度達到一個新的水平。

三．國內(nèi)激光打標的技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)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。

1．掩模式打標

掩模式打標又叫投影式打標。掩模式打標系統(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，將待打標的數(shù)字、字符、條碼、圖像等雕空，做成掩模，經(jīng)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。通常每個脈沖即可形成一個標記。受激光輻射的材料表面被迅速加熱汽化或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生顏色變化形成可分辨的清晰標記。掩模式打標一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打標主要優(yōu)點是一個激光脈沖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。對于大批量產(chǎn)品，可在生產(chǎn)線上直接打標。缺點是打標靈活性差，能量利用率低。

2．陣列式打標

陣列式打標系統(tǒng)是使用幾臺小型激光器同時發(fā)射脈沖，經(jīng)反射鏡和聚焦透鏡后，使幾個激光脈沖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個點，豎筆劃7個點，從而形成5×7的陣列。陣列式打標一般采用小功率射頻激勵CO2激光器，其打標速度最高可達6000字符／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符，且只能達到5×7的分辨率，對于漢字無能為力。

3．掃描式打標

掃描式打標系統(tǒng)由計算機、激光器和X-Y掃描機構(gòu)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(shè)計好的程序控制激光器和X-Y掃描機構(gòu)，使經(jīng)過特殊光學(xué)系統(tǒng)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(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)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(tǒng)不是采用通過改變反射鏡的旋轉(zhuǎn)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(tǒng)的X-Y掃描機構(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，這就為激光打標機向輕型化、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、免維護和價格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢，更加促進了激光打標向輕型化、小型化方向發(fā)展。

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