打標(biāo)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)以及免維護(hù)操作等優(yōu)點(diǎn)使光纖激光打標(biāo)機(jī)迅速成為塑料及金屬材料打標(biāo)的第一選擇。

　　當(dāng)今，幾乎所有產(chǎn)品上都帶有某種形式的標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)的內(nèi)容包括條碼、產(chǎn)品序列號(hào)、公司標(biāo)志以及生產(chǎn)日期等。產(chǎn)品標(biāo)識(shí)除了有助于消費(fèi)者了解產(chǎn)品信息外，對(duì)生產(chǎn)廠家防止假冒、創(chuàng)造品牌效應(yīng)也有非常重要的作用，所以現(xiàn)在生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)越來(lái)越重視，甚至傳統(tǒng)上不需要有標(biāo)識(shí)的裸裝產(chǎn)品，如雞蛋、蘋(píng)果等也已經(jīng)有帶標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品出現(xiàn)。激光打標(biāo)現(xiàn)已成為產(chǎn)品標(biāo)識(shí)制作的一種常用技術(shù)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。隨著激光打標(biāo)機(jī)性能的提高和價(jià)格的下降，激光打標(biāo)也由以前的外加工方式逐漸趨向于廠商擁有自己的激光打標(biāo)機(jī)，未來(lái)幾年激光打標(biāo)機(jī)將會(huì)面臨市場(chǎng)快速擴(kuò)張的機(jī)遇。激光打標(biāo)技術(shù)已經(jīng)有20 年以上的歷史，現(xiàn)已穩(wěn)步占據(jù)了一部分曾經(jīng)被傳統(tǒng)打標(biāo)技術(shù)，如電火花、腐蝕、機(jī)械刻劃以及噴墨打印等統(tǒng)治的市場(chǎng)。激光打標(biāo)能夠逐步取代噴墨打印主要有2 個(gè)方面的原因，一是噴墨打印所使用的油墨、顏料及溶劑會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題，另一方面噴墨打印的持久性也有問(wèn)題，因?yàn)檫@樣的標(biāo)記多數(shù)都能使用溶劑除去。相比之下，激光打標(biāo)則能夠在各種材料上產(chǎn)生清晰、持久的標(biāo)記。所以近年來(lái)激光打標(biāo)逐漸受到用戶(hù)的青睞，應(yīng)用范圍日益廣泛。

　　現(xiàn)在，用于激光打標(biāo)的激光器主要是波長(zhǎng)1.06 &mu;m的Nd：YAG和Nd：YVO4 固體激光器。但是，效率和可靠性更高且成本更低的摻Y(jié)b光纖激光器已經(jīng)開(kāi)始挑戰(zhàn)以上2 種固體激光器的地位。光纖激光器自幾年前步入實(shí)用化階段便迅速吸引了人們的注意力。目前，光纖激光器已占所有新生產(chǎn)激光打標(biāo)設(shè)備的20%，并且對(duì)激光打標(biāo)市場(chǎng)的滲透仍在繼續(xù)。現(xiàn)在，光纖激光器中用于激光打標(biāo)的主力機(jī)型是脈沖重復(fù)頻率<100 kHz的Q開(kāi)關(guān)光纖激光器，它正與常規(guī)的Nd：YAG激光器進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng)。這種Q開(kāi)關(guān)光纖激光器有固定的、約200ns的脈沖寬度，脈沖峰值功率也不是很高， 但非常適用于一般的打標(biāo)應(yīng)用。

　　基于由種源進(jìn)行直接調(diào)制的主振蕩器功率放大器(MOPA)的光纖激光器，具有比常規(guī)Q 開(kāi)關(guān)激光器更寬的工作范圍。這種激光器具有更高的脈沖峰值功率，并且能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。例如，MOPA光纖激光器在脈沖重復(fù)頻率為25 kHz，平均輸出功率為20 W時(shí)，脈沖峰值功率可以達(dá)到14 kW，工作頻率范圍可以達(dá)到1~500 kHz，也可以在連續(xù)模式下工作。MOPA光纖激光器的另一個(gè)重要特點(diǎn)是可以通過(guò)預(yù)設(shè)脈沖波形來(lái)控制脈沖形狀以及脈沖周期，這使激光的脈沖時(shí)間長(zhǎng)度、脈沖重復(fù)頻率和峰值功率能夠在很大程度上得以分別控制。這種Q開(kāi)關(guān)激光器所不具備的靈活性及更大的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，使MOPA光纖激光器具有更多的功能，能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行打標(biāo)。

　　通常，能夠進(jìn)行激光打標(biāo)的材料是多種多樣的，金屬、塑料、陶瓷甚至是有機(jī)材料都可以進(jìn)行激光打標(biāo)，能否打標(biāo)主要取決于材料對(duì)入射激光的吸收情況?？捎糜诩す獯驑?biāo)的激光器種類(lèi)很多，包括波長(zhǎng)10.6 &mu;m的氣體激光器(CO2 激光器)；波長(zhǎng)1.06&mu;m的Nd：YAG和Nd：YVO4固體激光器、摻Y(jié)b光纖激光器；倍頻YAG和YVO4固體激光器；波長(zhǎng)在可見(jiàn)光及紫外波段的準(zhǔn)分子激光器等。不同的材料對(duì)激光的吸收波段是有差別的。金屬對(duì)于波長(zhǎng)為10.6 &mu;m的激光具有很高的反射率，因此對(duì)金屬材料進(jìn)行打標(biāo)最好選用波長(zhǎng)為1.06 &mu;m的激光器；而相比之下，玻璃對(duì)波長(zhǎng)1.06 &mu;m的光是透明的，因此最好使用波長(zhǎng)為10.6 &mu;m的激光器或紫外波段的激光器。除波長(zhǎng)外，還有幾個(gè)決定激光器打標(biāo)能力的關(guān)鍵參數(shù)，它們分別是：脈沖能量、脈沖時(shí)間長(zhǎng)度、脈沖重復(fù)頻率、脈沖峰值功率和平均功率。

　　激光與材料的相互作用時(shí)存在一個(gè)閾值功率，只有激光功率達(dá)到該閾值，物理加工才能開(kāi)始進(jìn)行。激光打標(biāo)的閾值功率一般在kW 量級(jí)。對(duì)于高反射率表面或難于進(jìn)行加工的材料而言，脈沖峰值功率需要達(dá)到10 kW 以上的水平。不過(guò)對(duì)于大多數(shù)材料的打標(biāo)應(yīng)用，幾千瓦的脈沖峰值功率即可滿(mǎn)足需要。另一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)是脈沖能量，一般為mJ量級(jí)。脈沖時(shí)間長(zhǎng)度也是一個(gè)很重要的特性，因?yàn)樗鼪Q定了與材料進(jìn)行熱作用的時(shí)間，對(duì)標(biāo)識(shí)的質(zhì)量有顯著的影響。通常情況下需要的脈沖時(shí)間長(zhǎng)度在10~200 ns 之間。脈沖頻率是指每秒的脈沖數(shù)量(單位為Hz)，典型的激光打標(biāo)系統(tǒng)的工作頻率范圍為20~80 kHz。平均功率由脈沖能量和脈沖頻率決定，平均功率值代表激光器所能提供的總能量。

圖1

　　金屬在打標(biāo)材料中占很大的比例，如陽(yáng)極氧化鋁(見(jiàn)圖1)、不銹鋼、銅以及鈦等。對(duì)鋁、黃銅以及銅這樣的高反射材料進(jìn)行打標(biāo)，需要很高的脈沖峰值功率以及足夠高的功率密度，高峰值能量下的激光打標(biāo)速度可以達(dá)到500 mm/s。陽(yáng)極氧化鋁表面有深色的氧化物膜，這種膜對(duì)紅外輻射的吸收較高，因此實(shí)際上需要的功率密度較低，打標(biāo)速度可以達(dá)到2 m/s 。要達(dá)到上述打標(biāo)速度，需要較高的脈沖重復(fù)頻率，因?yàn)槿绻俣忍於}沖重疊不夠，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)識(shí)線(xiàn)條粗糙而不連貫；較高的脈沖頻率則可以增加脈沖重疊度，使標(biāo)識(shí)線(xiàn)條均勻平滑。光纖激光器的工作頻率可以超過(guò)100 kHz，這也是其應(yīng)用于打標(biāo)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)所在。在不銹鋼材料上進(jìn)行退火型打標(biāo)，得到的標(biāo)識(shí)是清晰的黑色標(biāo)識(shí)而且在加工過(guò)程中無(wú)任何材料被去除?，F(xiàn)在這種打標(biāo)工藝已廣泛應(yīng)用于不銹鋼制品之上(如圖2、圖3所示)。

圖2

圖3

　　彩色打標(biāo)是新近出現(xiàn)的激光打標(biāo)工藝。對(duì)不銹鋼、鉻、鈦等金屬材料通過(guò)激光脈沖照射提供可控而精確的熱注入時(shí)，能夠產(chǎn)生色彩繽紛的氧化物，因此，可以用激光來(lái)使金屬表面某一區(qū)域具有不同的顏色從而得到彩色標(biāo)識(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)金屬表面彩色化的關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制激光的脈沖能量和脈沖寬度。高頻、低脈沖能量的激光器比較適于該項(xiàng)應(yīng)用，而由于具有可調(diào)節(jié)的脈沖參數(shù)及良好的光束質(zhì)量，光纖激光器是最合適的選擇。通過(guò)嚴(yán)格控制熱量注入，光纖激光器能夠在金屬表面打色彩豐富的標(biāo)識(shí)。當(dāng)激光脈沖重復(fù)頻率超過(guò)125 kHz時(shí)，得到的顏色更深，而這種重復(fù)頻率是其它激光器無(wú)法達(dá)到的。

　　在塑料和高分子材料上打標(biāo)是激光打標(biāo)(如圖4所示)一個(gè)正在成長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及到的材料范圍非常廣泛。除了基底材料本身外，還涉及到多種多樣的填料、增塑劑和色素等，這些都可能會(huì)影響到打標(biāo)的結(jié)果。現(xiàn)在有一些紅外吸收材料，它們?cè)谒芰匣撞牧现械纳倭刻砑幽軌蝻@著提高激光的打標(biāo)能力。在不同種類(lèi)的聚合物材料上打標(biāo)時(shí)，并不一定總是要求高脈沖能量，實(shí)際上高脈沖能量反而很可能是有害的。舉例來(lái)說(shuō)，在對(duì)制造輕便剛性模壓制品的熱塑性樹(shù)脂和ABS (丙烯腈、丁二烯、苯乙烯) 進(jìn)行打標(biāo)時(shí)，如果脈沖能量較高，雖然打出的標(biāo)識(shí)具有很高的對(duì)比度，但同時(shí)粗糙度也很高；而如果使用較低的脈沖能量，通過(guò)提高脈沖重復(fù)頻率以得到等效的平均功率來(lái)進(jìn)行打標(biāo)，與高脈沖能量相比，卻能在保持相同對(duì)比度的情況下得到表面光滑的標(biāo)識(shí)。脈沖能量過(guò)高還可能會(huì)使打標(biāo)區(qū)域熔化，反過(guò)來(lái)導(dǎo)致標(biāo)識(shí)的對(duì)比度降低。光纖激光器的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍很寬，因此可以為特定的情況設(shè)置最適合的參數(shù)。例如，對(duì)熱敏材料進(jìn)行打標(biāo)時(shí)，有能力將工作頻率設(shè)置為<10 kHz的光纖激光器就具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

圖4

　　光纖激光打標(biāo)技術(shù)的另一個(gè)重要的市場(chǎng)是在電子工業(yè)中取代噴墨打標(biāo)技術(shù)(見(jiàn)圖5)。在電子工業(yè)中，噴墨打標(biāo)技術(shù)主要用于集成電路封裝打標(biāo)。集成電路封裝材料主要是一些樹(shù)脂類(lèi)灌封材料，因?yàn)橹圃焐虒?duì)于標(biāo)識(shí)對(duì)比度都有特別的要求，因此在激光打標(biāo)時(shí)需要仔細(xì)的進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)。當(dāng)使用的激光脈沖重復(fù)頻率<100 kHz 時(shí)，打出的標(biāo)識(shí)表面很粗糙，其深度可達(dá)20 &mu;m，之而產(chǎn)生的問(wèn)題就是當(dāng)視角不同時(shí)，標(biāo)識(shí)的對(duì)比度會(huì)變差。而使用高脈沖頻率，如500 kHz 的光纖激光器，就可以避免這樣的問(wèn)題。通過(guò)高脈沖頻率的光纖激光器打出的標(biāo)識(shí)對(duì)比度好，表面光滑，線(xiàn)條深度<5 &mu;m，從而消除了視角問(wèn)題。

圖5

　　總之，雖然有多種類(lèi)型的激光器適用于激光打標(biāo)，但光纖激光器多方面的優(yōu)越性使其更具有競(jìng)爭(zhēng)力。許多激光打標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)者都希望可以使用同一套系統(tǒng)對(duì)多種材料進(jìn)行打標(biāo)，現(xiàn)在這個(gè)要求可以通過(guò)新型MOPA光纖激光器得到充分的滿(mǎn)足。MOPA光纖激光器可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)脈沖能量、周期以及頻率，使用戶(hù)具有更大的操作自由從而能夠在多種材料上制作出完美的標(biāo)識(shí)。雖然在幾年前光纖激光器就已經(jīng)有了工業(yè)應(yīng)用，但實(shí)際上到了2007年光纖激光器才開(kāi)始"爆炸"性地發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，光纖激光器在激光打標(biāo)市場(chǎng)中必將占據(jù)越來(lái)越大的份額。（作者：上海飛博激光科技有限公司應(yīng)用工程師李秋瑞）