激光打標機的原理和應用是怎樣的?

激光打標機就是在各種不同材料的工件表面,用激光形成永久性的標記,激光打標機也稱激光標刻或激光標記。與腐蝕、機械衝壓、機械雕刻等傳統的打標方法相比,激光打標有許多優越性,其主要表現在以下方面,

方法/步驟

(1)應用範圍廣,幾乎可以在所有的材料表層打上永久性的標記,如各種金屬、硬質和軟質塑料、各種硬質合金、陶瓷、玻璃、磁帶、複合材料和硅等;而且對被加工表面的形狀無限制,既可以是平面,也可以是曲面。

(2)對被加工表面不產生機械壓力和機械變形,無汙染物,無腐蝕。

(3)在打標質量和靈活性方面優於傳統的打標技術,易於自動化,特別適合於在大規模的生產線上使用。

(4)能進行高分辨率的縮微打標,這是其它打標方法難以實現的

(5)打標速度快,重複性好。

目前常用的激光打標機有兩種形式:一種是掩模式的激光打標機,另一種是雕刻式的激光打標機。

掩模方式的激光打標機是利用高能激光束(通常使用TEA CO2激光器),通過一個掩模板將掩模板的象投影到工件上進行打標的方法;而雕刻方式的激光打標機一般是利用計算機控制掃描振鏡或x-y工作臺,使一個高度聚焦的激光束(一般用調Q Nd:YAG激光器)在被加工工件上移動掃描進行打標。

目前,激光打標已在工業生產中獲得了廣泛的應用,據1992—1993年的世界激光工業報告統計,激光打標機的銷售量已僅次於激光切割,處於激光材料加工應用的第二位。

激光打標的基本機理

激光打標是在高能激光束的作用下,使被加工工件發生熔化、汽化、加熱變色等物理和化學反應,從而在工件表面留下永久性的標記。根據所用激光能量的不同,激光打標的作用機理可以分為以下幾種;

1.加熱改變顏色打標

大多數材料(特別是一些非金屬材料,例如塑料、紙、橡膠等)受到激光加熱時,材料本身發生化學變化,會導致被打標工件表面顏色發生改變或使其表面光澤變亮。因此,可以利用這種機理進行打標。

在激光加熱時材料顏色發生的這種變化只出現在材料的表層,是由於金屬金相結構的改變或非金屬的化學組成發生變化而引起的。一般很難預計這些材料,特別是塑料材料在激光作用時顏色改變的情況。

有時不同廠家生產的同一種型號的塑料會改變成不同顏色。掩模式的激光訂標機大多采用這種方式進行打標。這種打標方法所需的功率密度較低,打標部位的溫度在材料的熔點以下,打標中引起材料的變形極小,適合於激光在非金屬材料上的標記。

2.熔化打標

在金屬被加熱到熔點後,由於金屬的氧化或者其它雜質的摻入,在金屬重新凝固後其表面的顏色也會發生改變。例如,某些鋼在熔化後產生的標記的顏色會變暗,待別是當表面有—層油膜的時候,就會在表面產生對比度很大的標記。

利用這種方法也可以進行激光打標。由於打標前後金屬的表面輪廓不發生任何變化,因此這種形式的打標方法在某些應用中具有很大的優越性。例如,醫學廣的骨胳支板,人工脊柱連接器,心臟起博器等的表面要求儘可能的光滑,所以最好利用這種方法進行打標。熔化打標的方法也適合於一些塑料材料。它們在熔化時會在表面形成溝槽或使其餘面結構發生改變。

3.汽化打標

大多數的材料在其表面溫度高於熔點時,都會發生蒸發和汽化。例如鋼、鋁、鈦、銅等金屬材料,當Nd;YAG激光束在其表面移動時,表面很容易汽化而形成一條溝槽,從而產生很明顯的標記。

雕刻式的激光打標機即是利用這種方式進行打標的。在汽化打標過程中,激光束的能量密度一般較低,不會造成被加工工件的穿孔。汽化打標產生的標記深度較深,很容易由眼睛分辨出來。掩模方式在對油漆、氧化層和一些塑料打標時,也可採用汽化方式使一部分材料去除,從而達到標記的目的。

掩模式激光打標機是怎樣的

掩模式的激光打標機,一般由激光器、掩模版和聚焦透鏡組成,激光器多采用TEA CO2激光器,也可用準分子激光器。掩模板由不鏽鋼板雕刻或光學鍍膜製成。掩模板上的圖形為待打標的數字、文字、條碼、圖形等信息,掩模板按這些信息事先被雕空或鍍以反光膜。進行打標時,激光束先通過望遠鏡系統擴束,然後均勻地照在掩模板上,從掩模板上雕空部分通過。

聚焦透鏡將掩模板成象到工件表面,其放大率小於1,以提高到達工件表面的激光功率密度。掩模板可以被放置在聚焦透鏡之前,也可以在聚焦透鏡之後。在打標過程中,掩模上的所有信息都可以用一個激光脈衝標記在工件上。由於在通過掩模後激光的能量損失很大,因此到達工件的激光能量密度很低,所以這種打標技術只適用於在一些具有高吸收和低熔點的材料上打標,如塑料、木材、油漆和紙等。

掩模方式打標中,一個脈衝的打標面積由激光的能量、透鏡的焦距和材料的特性決定。例如,輸出能量為1J的CO2激光器在玻璃和電子元器件上的打標面積為10mm 2,而相同的激光器在白紙上的打標面積可達100mm2。

掩模方式打標的線寬由光束的發散角和光束在掩模上的衍射以及聚焦透鏡的焦距決定。一般打標線寬為o.1mm,高質量的打標線寬可以小於50納米。打標的深度由材料汽化、氧化的深度決定,一般為1—10納米。

在掩模打標方式中,激光作用時間很短,因此可以將被加工元件放在傳送帶上打標。如果傳送帶上的元件以1m/s的速度運動,那麼在1納秒的激光脈衝作用時間內,它只移動了1納米,不會影響打標質量。如果被打標元件同時能夠保持—個短暫的靜止狀態劇變化的、可隨意編的任何信息都可以通過掩模系統打標。例如,用脈衝激光器依次照射帶有90個圖案的旋轉的掩棋圓盤上的符號,則這種打標方式可以打出90種不同的圖案。

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