【摘 要】激光打标是利用高能量密度激光对物体表面进行局部照射，使表层材料汽化或发生变化，从而留下永久性标记的一种打标方法。本文简要介绍了激光打标技术及其优点，并采用振镜式光纤激光打标机对多种材料表面进行了激光打标，展示了激光打标技术的优越性。
【关键词】激光打标；光纤激光；扫描振镜
中图分类号： TN249 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0075-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.033
【Abstract】Laser marking is a marking method which uses high energy density laser to irradiate the surface of the object， making the surface material vaporize or change， thus leaving permanent marking. This paper briefly introduces the working principle and advantages of laser marking machine technology. Laser marking on the surface of various materials was carried out by using a galvanometer type fiber laser marking machine， showing the superiority of laser marking technology.
【Key words】Laser marking； Fiber laser； Galvanometer
0 引言
激光的發明是一项划时代的成就，对人类社会产生了极其深远的影响。人们把激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“四大发明”。激光亮度高，方向性好，相干性高，单色性好，聚焦后能量可以集中在很小的区域内。自第一台激光器诞生后，人们就开始探索激光在加工领域的应用。激光打标是激光加工领域中最常见的应用之一。激光打标是利用一束高能量密度的激光和物体表面作用，使物体表面发生物理或化学变化，从而在物体表面留下永久标记的一门新兴加工技术。激光打标作为一种现代精密加工方法，与印刷，腐蚀，电火花加工，机械刻划等传统的加工方法相比，具有无与伦比的优势。激光打标通过计算机控制，能够在物体表面打标出各种文字、符号和图案，并且可以通过软件非常容易地设计和更改打标图样和内容，能够大大提高加工效率，适应现代化生产高效率、快节奏的要求。激光打标技术没有与物体发生硬接触的刀头、无切削力，工件不会变形和产生内应力，不会破坏工件，能够广泛应用于各种材料，例如常见金属，聚合物材料，皮革，陶瓷，木材等都可以进行激光打标。聚焦的激光光斑直径非常小，热影响区域小，加工精细，并且雕刻的文字图案有非常强的持久性。采用激光打标技术雕刻出的标记不容易仿制和更改，在一定程度上具有很强的防伪性。激光打标对环境污染小，符合当前的绿色环保的发展潮流。目前，激光打标技术已广泛应用于包装、零件、首饰、电子元件、集成电路芯片、五金工具等众多领域的文字和图形的标记。本文使用扫描振镜激光打标机在几种材料表面进行打标，简要展示激光打标技术。
1 实验仪器
实验采用大恒公司F6S系列扫描振镜光纤激光打标机进行打标。激光打标机主要构成如图1。打标机激光源为掺镱光纤激光器，最大平均光功率为20W，波长为1.0微米，脉冲重复频率为20-80KHz，M2小于2。用于打标的聚焦透镜焦距为160mm，打标线宽为0.02-0.15mm，打标深度为0-0.02mm，雕刻范围为100×100mm2。光纤激光器出射激光经准直后导入扫描振镜，并将激光束入射到扫描振镜系统的两块反射镜上，两个反射镜固定在伺服电机轴上，由计算机控制反射角度，可分别沿X、Y轴扫描，使激光束偏转，以不同方向和角度入射聚焦透镜，以使激光焦点在透镜焦平面上按所需的轨迹运动。位于透镜焦平面处的材料和高能量密度的激光焦点相互作用，材料表面上留下永久的标记。F6S系列激光打标机采用的“大恒新纪元打标系统控制软件”控制打标。该软件采用开放式结构，且兼容性极好，可以接受目前社会上流行的多种软件生成的文件（例如：AutoCAD、CorelDraw等）。当用户配备了图像采集系统（扫描仪、摄像机等）时，对于由它们生成的任何图像、图案，光纤激光打标机均可以处理，极大地方便了用户。
2 激光打标
影响打标效果的因素有很多，如材料的特性，表面光洁度，激光工作方式，激光波长，激光脉宽，激光功率，激光重复频率，扫描速度，离焦量等。尽管制约打标效果的因素很多，却可以根据选用的材料，所使用的激光，通过实验来确定打标参数。例如我们使用的F6S系列扫描振镜光纤激光打标机发出的激光是纳秒级的脉冲激光。该打标记激光功率，扫描速度，重复频率三个参数可调。针对具体材料，我们可以分别扫描这三个参数，得出较优的打标参数范围。
（a）-（d）激光重复频率固定为20kHz，扫描速度固定为500mm/s，激光功率分别为20W，16W，12W，8W，（e）-（h）激光重复频率固定为20kHz，激光功率扫描速度固定为20W， 扫描速度分别为400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s，（i）-（l）激光功率固定为20W， 扫描速度固定为400mm/s，激光重复频率分别为30kHz，60kHz，90kHz，120kHz。
我们以不锈钢表面打标为例进行说明。首先将表面去污的不锈钢片放在激光打标机工作台上，通过逐一改变参数来进行三组实验，分别研究扫描速度、功率和重复频率对打标效果的影响。图2是不同参数下，不锈钢表面的打标效果。图2（a）-（d）激光重复频率固定为20kHz，扫描速度固定为500mm/s，激光功率分别为20W，16W，12W，8W的效果。从图2（a）-（d）中可知随着激光功率的降低，字迹逐渐变得不清晰，效果变差。但也激光功率也不宜过高，功率过高，热影响区较大，材料表面被烧蚀严重，表面光滑度下降。图2（e）-（h）是激光重复频率固定为20kHz，激光功率扫描速度固定为20W， 扫描速度分别为400mm/s，300mm/s，500mm/s，100mm/s的效果。扫描速度过快时，激光作用时间比较短，标刻的字迹比较浅，效果不明显。扫描速度过慢也不宜采用，速度过慢，材料表面被烧蚀严重，文字图案会不美观。图2（i）-（l）激光功率固定为20W， 扫描速度固定为400mm/s，激光重复频率分别为30kHz，60kHz，90kHz，120kHz的效果。当重复频率升高时，字迹逐渐变淡，这是因为激光器输出功率是一定的，当重复频率增大时，单脉冲能量减小，当低于阈值时，甚至不会在材料表面留下痕迹。综上可见，我们需根据具体材料，通过实验确定合适的参数范围，得出需要打标的效果。此外，纳秒激光和金属相互作用，往往会在金属表面产生各种颜色，这是由于金属和激光作用后在表面形成氧化膜，发生等厚干涉，从而形成人眼所见到的彩色，利用这种特点，往往可以打出具有色彩的文字与图案，扩展了激光打标的应用。激光打标机除了可以在材料表面进行文字打标外，还可以打标各种图案。图3（a）是在不锈钢表面打印的二维码，图中打标的二维码呈现金黄色。图3（b）是在石板上打标的动物图案。图3（c）是在手机壳上打标的人物图案。
亚克力是一种广泛使用的透明材料，具有质轻、价廉，易于成型等优点。它广泛用于仪器仪表零件、汽车车灯、光学镜片、标识招牌等。亚克力激光损伤阈值较低，如使用纳秒脉冲激光打标，高的激光峰值功率会使打标点产生气泡状爆裂点，无法标刻出理想图案。为了在亚克力表面打标出精美图案，可采用连续激光在亚克力表面进行雕刻，避免产生气泡状爆裂。图4为使用连续激光在亚克力表面雕刻的十二生肖图案，图案清晰，没有出现气泡状爆裂点。此外也可选择在透明亚克力板下垫金属板，让打标图案反衬在亚克力板上。激光打标还需充分考虑材料对激光波段的吸收问题，例如木材对我们使用的打标机光源发出的1微米波段激光吸收率很低，所以无法在木材表面打标。10.6微米的二氧化碳激光比较适合竹木材料的打标。如果没有相应波段激光源，可选择在物体表面涂覆对该激光吸收较好的材料粉末，进行应急性小批量打标。例如对1微米波段激光，可在木材表面涂覆碳粉，帮助吸收该波段激光，辅助进行打标。
3 结束语
本文通过在多种材料上进行文字、图案的激光打标，展示了激光打标这一新兴技术。激光功率、打标速度，激光重复频率和激光波长等是激光打标的关键参数，针对不同材料，可通过实验优化出打标参数，得到较好的打标效果。
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