田新國,王斌修

(青島理工大學,山東青島 266033)

激光打標技術與其他激光加工技術如激光切割、激光焊接、激光熱處理、激光快速成形等相比,是目前激光加工領域應用最廣泛、最成熟的一項技術。在實際生產(chǎn)中,可利用激光打標技術將文字、圖形等永久性的標記在多種不同材料的表面。隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)在激光打標都是通過與數(shù)控技術、控制軟件和計算機輔助設計軟件相結合,既可直接在控制軟件中設計簡單的文字、圖形,也可使用計算機輔助設計軟件設計設計較為復雜的文字、圖形,然后對這些文字、圖形的文件進行格式轉換,最后通過控制軟件控制激光的輸出和軌跡。

1 激光打標機原理

激光與物質的相互作用是激光加工的基礎。當激光照射到材料上時,電磁能首先轉化為電子激發(fā)能,然后再轉化為熱能或化學能。因此,加工過程中材料的被加工區(qū)域將發(fā)生各種變化,這些變化主要體現(xiàn)在材料的升溫、熔化、汽化、產(chǎn)生等離子體云等。與傳統(tǒng)打標技術相比,激光打標屬于非接觸加工,不會引起變形,加工熱影響區(qū)小,工件材料損耗小,圖案質量好,不易被假冒且加工過程易于實現(xiàn)自動化,加工效率高。尤其是在加工高硬度、高熔點和脆性的材料時,更能顯示出其獨特的優(yōu)勢。

1.1 泵浦技術

固體激光器具有結構緊湊、牢固耐用、價格便宜等優(yōu)點,在激光打標領域中應用廣泛。本文就以固體激光器為例介紹激光器泵浦技術。固體激光器泵浦方式可分為氣體放電燈泵浦和半導體激光二極管泵浦兩種方式[1]。

(1)氣體放電燈泵浦。脈沖固體激光器采用脈沖氙燈泵浦,連續(xù)固體激光器采用氪燈或碘鎢燈泵浦。放電燈的發(fā)射光譜分為連續(xù)譜和線狀譜,覆蓋的波長范圍很寬,只有與激光工作物質的吸收波長相匹配的光才可被有效地吸收。氣體放電燈泵浦有很多能量轉換環(huán)節(jié),因此激光器轉換效率很低。

(2)半導體激光二極管泵浦。采用輸出激光波長與固體激光工作物質吸收波長相匹配的激光作為泵浦光源可大大提高激光器效率。近年來,隨著科學技術的發(fā)展,采用半導體激光二極管泵浦固體激光的全固態(tài)激光器,以目前氣體放電燈泵浦無法比擬的泵浦效率,使固體激光器體積大大縮小、結構緊湊,且無需水冷,供電簡單,在國內外得到迅速發(fā)展并獲得廣泛應用,是目前固體激光器的主要研究和發(fā)展方向。

1.2 激光打標的原理

激光打標是用激光束在各種物質表面打上永久性標記。打標的效應是通過表層物質的蒸發(fā)露出深層物質,或通過光能使表層物質發(fā)生化學物理變化而“刻”出痕跡,或通過光能燒掉部分物質,顯出所需刻蝕的文字、圖形。激光打標的原理大體上分為以下兩種:

(1)“熱加工”。具有較高能量密度的激光束,照射到被加工材料表面上,材料表面吸收激光能量,在照射區(qū)域內發(fā)生熱激發(fā)過程,從而使材料表面溫度上升,產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。

(2)“冷加工”。具有很高負荷能量的光子,能打斷材料或周圍介質內的化學鍵,使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標記中具有特殊的意義,因為它不是熱燒蝕,而是不產(chǎn)生“熱損傷”副作用的、打斷化學鍵的冷剝離,因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產(chǎn)生加熱或熱變形等作用。

1.3 打標實現(xiàn)

激光打標機首先通過專用點云轉換軟件,將二維圖像轉換成點云圖像,然后根據(jù)點的排列通過控制軟件控制激光在工件表面上的位置和激光的輸出。由氪燈泵浦Nd:YAG激光器產(chǎn)生波長為1 064 nm的激光,其結構原理見圖1。

圖1 結構原理圖

激光束經(jīng)擴束鏡擴束后,再射到振鏡掃描器的反射鏡上,振鏡掃描器在計算機的控制下高速擺動,使激光束在 X、Y二維方向上進行掃描,形成平面圖像。激光打標是通過鏡頭將激光束聚焦到工件表面形成一個個微細的、高能量密度的光斑,每一個高能量的激光脈沖瞬間在工件表面燒蝕形成標記,在計算機的控制下連續(xù)不斷地重復這一過程,預先設計好的文字、圖形等內容就永久地蝕刻在工件表面。

2 激光打標機的使用

一臺高性能的激光打標機,其控制軟件尤為重要,現(xiàn)以激光打標控制軟件Ctmark為例進行介紹。軟件Ctm ark功能強大,不但可利用軟件本身進行圖文編輯,而且可導入經(jīng)過輔助軟件處理的文字與圖形進行文件格式轉換,主要是.BMP格式、.PLT格式和.DXF格式。因此對一些較簡單的文字和幾何圖形可直接在軟件中繪制,而對于一些較復雜的文字、圖形,則選擇適合軟件Ctmark和具有較好打標品質的基礎性圖形設計軟件來設計如Corel-DRAW、AutoCAD等軟件。通過這些軟件,用戶可很方便地繪制和編輯圖形,具有作圖效率高、圖形精度高等優(yōu)點。此外,軟件Ctmark的界面非常友好,可對導入的文字、圖形進行尺寸調節(jié)、位置調節(jié)、復制、剪切、粘貼等。

2.1 使用軟件本身進行圖文編輯

在該部分主要通過具體的打標實例來介紹激光打標機的使用,即分3行在復合材料上打出“青島理工大學工程實訓中心激光實驗室”。

(1)文字輸入及文本參數(shù)設置。在文字輸入界面,分3行輸入“青島理工大學 工程實訓中心激光實驗室”。然后設置文字的相關參數(shù),“字體”選項中包含了多種中英文字體,在此次實驗中選擇楷體?！白煮w高度”設定為 5;“填充間距”設定為 0.05,“填充角度”設定為0,這兩項參數(shù)用來設置水平方向的填充線條,表示水平方向線條的間距是0.05mm;“填充間距2”設定為 0.05,“填充角度”設定為90,這兩項參數(shù)用來設置垂直方向的填充線條,表示垂直方向線條的間距是0.05mm?！靶虚g距”選項在打多行文字時使用,設置多行文字中行與行之間的距離,本此實驗中輸入的文字分為3行,為了避免打標時發(fā)生重疊,故將“行間距”設定為5。文字的所有相關參數(shù)設定完成后,文字效果見圖2。

圖2 文字編輯效果圖

(2)在復合材料表面打標。打標開始前,調節(jié)激光光束和焦點的位置,用轉換片觀察從場鏡下方射出的激光束。如果光斑為規(guī)整的圓,且內部綠色光暈分布均勻,說明光束質量較好;若光斑為橢圓且內部綠色光暈有明顯缺陷,則光束質量較差,需要對激光打標機進行調節(jié)。激光束調好后,調節(jié)激光束焦點的位置。通過調節(jié)升降臺來觀察復合材料表面上激光的亮度和刻蝕時的聲音,最終使復合材料表面位于焦深范圍內(1～2 mm左右)。

“范圍”選項用來查看當前的打標范圍在復合材料表面上是否合適,不合適時可分別調整復合材料在X、Y方向的坐標,確定最佳打標位置。最后設置激光打標機的打標參數(shù)(圖3)。其中“基本參數(shù)”和“高級參數(shù)”均采用系統(tǒng)默認值,“功率參數(shù)”中頻率設定為3 000,脈寬設定為6。點擊“打標”選項,激光打標機開始在復合材料表面上刻蝕文字。需注意:激光打標過程中輸出的光束包含可見和不可見的輻射,對人眼有害,必須使用專用安全防護鏡。打標結束后實物圖見圖4。

圖3 打標參數(shù)

圖4 文字打標效果圖

2.2 輔助軟件設計的文字和圖形文件格式轉換及打標過程

軟件Ctmark可兼容很多輔助軟件。此次試驗中以AutoCAD繪制的法拉利車標為例,介紹在軟件Ctmark中輔助軟件設計的文字和圖形文件的格式轉換過程。

用AutoCAD繪制法拉利車標見圖5。使用設計軟件AutoCAD繪制完成后,在文件保存時選擇保存格式為.DXF。打開軟件Ctmark,在“導入”選項中選擇導入文件格式為.DXF,找到并選定用Auto-CAD繪制的法拉利車標文件。在圖形生成過程中,為了避免圖形失真,要根據(jù)所需圖標的大小合理設置相關的參數(shù)見圖6。其中圖形長度設定為25,為了防止圖形導入后長寬比例不協(xié)調,選擇“相同比例”選項,軟件會自動計算出相應的寬度值以及轉換比率。導入完成后,圖形效果見圖7,保存文件,這樣就完成了文件格式的轉換過程,得到格式為.CT的打標文件。打標時,打開上面保存的文件,剩余的打標過程與使用軟件本身進行圖文編輯時相同。在復合材料表面上打出的圖標實際效果見圖8。

圖5 使用AutoCAD繪制的法拉利車標

圖6 圖形導入?yún)?shù)

圖7 圖形導入后的效果

圖8 圖形實際效果圖

3 激光打標過程中出現(xiàn)的問題及解決方案

激光打標機由水冷系統(tǒng)、控制柜、工控機、激光電源、聲光電源、工作臺、掃描頭、激光器組件、K型支架等部分組成,結構較為復雜,所以激光打標機在使用過程中會不可避免地出現(xiàn)各種問題。

(1)高壓氪燈無法點燃。按正常的開機順序打開激光打標機:先開水泵,再開電源后,操作面板上的直流電壓表應有260 V左右的電壓讀數(shù),這表明主電路已開始正常工作。點火電路經(jīng)過3～5 s充電后,其4倍壓整流電路已充電到1 000 V左右,在此時按下點火開關,變壓器將產(chǎn)生10 000 V以上的高壓并瞬間加到高壓氪燈上,將其點亮。然后控制電路迅速切斷高壓電路,另將主電路的260 V直流電經(jīng)預燃電阻降到100 V左右,加到高壓氪燈上。這樣高壓氪燈就完成了預燃,此時電流表讀數(shù)為4 A左右[2]。

當高壓氪燈無法點燃時,應首先檢查電壓表讀數(shù)是否為260 V。若電壓表讀數(shù)不是260 V,則是主電路或整流電路有問題。若電壓表讀數(shù)是260 V,那么就在未按點火開關前檢查高壓氪燈兩端直流電壓是否達到1 000 V。如果沒有達到就檢查4倍壓電路;如果達到了則在按下點火開關的瞬間,仔細觀察高壓氪燈兩端裸線對安裝氪燈的腔體金屬外殼有無高壓放電現(xiàn)象。若有,則說明點火瞬間已有10 000 V的高壓電產(chǎn)生,高壓氪燈無法點燃是氪燈老化或因存放時間過長,高壓氪燈的真空度下降所致,此時只需更換高壓氪燈即可。但如果沒有高壓放電現(xiàn)象產(chǎn)生,那么很可能是變壓器損壞,需更換變壓器。

(2)高壓氪燈點燃后不能維持工作。在實際使用中,高壓氪燈點燃后不能維持工作與高壓氪燈無法點燃的區(qū)別并不明顯,但一定要區(qū)別開來?？赏ㄟ^以下方法進行分辨。首先檢查電流表在點火開關按下的瞬間是否有10～15 A的數(shù)值顯示。其次仔細觀察光路在點火瞬間有無激光一閃,有就證明高壓氪燈可點燃只是無法維持工作?；蛘哂^察高壓氪燈兩端裸線對腔體的金屬外殼有無高壓放電現(xiàn)象,如果沒有同樣說明高壓氪燈可以點燃,只是無法維持工作。這時只需降低預燃電阻的電阻值,范圍在25～35即可解決問題。

(3)激光打標機啟動后,打出的文字或圖形變淺。出現(xiàn)這種問題后,首先打開燈室檢查高壓氪燈。如果高壓氪燈的兩端變黑,那么打出的文字或圖形變淺很可能是高壓氪燈老化造成的,需更換高壓氪燈。如高壓氪燈正常,那么接著檢查燈室的反射面,因為激光打標機冷卻系統(tǒng)如使用去離子水作為冷卻介質,去離子水在靜止時會產(chǎn)生少許的臭氧,而臭氧具有強氧化性,漂浮在腔室上層時很可能會腐蝕反射面。如果在反射面上出現(xiàn)眾多麻點,這時高壓氪燈發(fā)出的光經(jīng)反射面反射后到達Nd∶YAG棒的光子數(shù)量會減少,使激光器輸出功率降低,從而使打出的文字或圖形變淺。這時更換燈室反射面上半部分就可解決問題。

(4)激光打標機正常工作過程中,突然出現(xiàn)部分或全部文字變淺的現(xiàn)象,但停機等待十幾分鐘后,激光打標機恢復正常工作,打幾個工件后又出現(xiàn)同樣的問題。出現(xiàn)這種情況后,首先檢查打標機的光路和冷卻系統(tǒng),如均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象,接著檢查高壓氪燈。打開燈室,如發(fā)現(xiàn)高壓氪燈的兩端發(fā)黑,那么該故障很可能是高壓氪燈老化造成的,需更換高壓氪燈。如更換高壓氪燈后仍未解決問題,那么可初步認定是Nd∶YAG棒老化,Nd涂層變薄或其活性降低,造成吸收高壓氪燈光子數(shù)量減少,從而導致激光發(fā)射不穩(wěn)定。這時需要更換Nd∶YAG棒。

(5)激光打標機啟動后,打出的文字或圖形不清晰。有可能是由于振動、工裝磨損或固定螺栓松動等原因,使鏡頭到工件的距離發(fā)生了變化。這時可調節(jié)激光器的位置,按設備上焦距調節(jié)方向微調,找出最佳效果。需要注意每次調節(jié)量不宜過大,并做好每次調節(jié)后的效果記錄,找出變化的規(guī)律,這樣調節(jié)才能快速、準確,否則容易調亂,浪費時間。如調節(jié)沒有效果,那么打開燈室,檢查故障是否由高壓氪燈使用時間過長、光亮度降低所造成的。若是,則更換新的高壓氪燈。如果高壓氪燈正常工作,那么接下來要檢查高壓氪燈和聚光腔內的濾紫外線玻璃管,仔細觀察它們的表面是否附著有水垢。若存有水垢,那么需用棉花簽蘸醋酸小心清洗,去除水垢;若沒有水垢,那么故障很可能是因為激光束在傳播過程中沒有通過擴束鏡的中心造成的。解決方法是將隨機配置的轉換玻璃片插到輸出鏡上,打開氦氖燈,檢查光點是否在水平或垂直方向偏離了中心。然后對應的微調全反射鏡片架上的兩個小螺釘,使光點移到中心即可。除以上原因外,打出的文字或圖形不清晰還有可能是激光器聚光腔內有積水、電網(wǎng)電壓過低等原因造成的,這時需要清潔聚光腔,使其保持干燥或是調高輸入電壓。

(6)激光打標機報警。主要原因:①軟件不工作,主板松動;②沒有打開冷卻系統(tǒng),導致激光器聚光腔內的溫度超過設定值,甚至會損壞激光管;③冷卻系統(tǒng)中的水溫過高或水量不夠。

相應的解決措施:①打開電腦主機,把主板取下,重新插一遍;②開機前先打開冷卻系統(tǒng),如激光管已損壞,則要更換新的;③往冷卻系統(tǒng)中的水箱添加去離子水或蒸餾水,達到合適的水位。

4 結論

隨著計算機技術及其他相關學科的不斷發(fā)展,激光打標技術逐漸成熟,激光打標的應用領域也越來越廣泛。為了更好地使用激光打標機,需對打標控制軟件以及CorelDRAW、AutoCAD等輔助軟件熟練掌握。為此,本文通過具體實驗介紹了激光打標機的基本原理,激光打標的過程尤其是輔助軟件設計的文字和圖形文件的格式轉換過程,探討了激光打標機在使用過程中可能出現(xiàn)的問題及相應的解決方案。

[1] 張國順.現(xiàn)代激光制造技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[2] 戴志文.激光打標機常見故障與維修[J].設備管理與維修,2007(10):51.

[3] 王炳龍,王家先.激光打標技術的應用[J].電訊工程,2009(2):19-23.