劉 芹， 張立娟（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

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半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器在塑料行業(yè)中的應(yīng)用

劉 芹， 張立娟
（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

摘 要：簡(jiǎn)單介紹了激光打標(biāo)技術(shù)和對(duì)比了半導(dǎo)體側(cè)面泵浦固體激光打標(biāo)器、半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器和光纖激光打標(biāo)器三種激光打標(biāo)器，介紹了半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器的工作原理，并針對(duì)應(yīng)用于塑料行業(yè)時(shí)影響打標(biāo)效果的關(guān)鍵參數(shù)，如電流、頻率、速度等進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：激光打標(biāo)技術(shù)；半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器；原理；參數(shù)

激光打標(biāo)技術(shù)是當(dāng)代兩大高科技-激光和計(jì)算機(jī)的結(jié)晶產(chǎn)品，近年來(lái)以其卓越的性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如儀器儀表、印制電路、計(jì)算機(jī)制造等方面。激光打標(biāo)是指利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，將物體表面材料逐點(diǎn)去除，使表層材料發(fā)生改變，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)是一種非接觸式加工，可避免機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力對(duì)材料造成的損傷。激光可穿過(guò)透明物質(zhì)對(duì)內(nèi)部零件進(jìn)行加工標(biāo)記，也可通過(guò)棱鏡、反射鏡等對(duì)物體內(nèi)表面和傾斜面進(jìn)行標(biāo)記，彌補(bǔ)常規(guī)標(biāo)記方法的不足。同時(shí)，激光加工速度快，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，免除了人工的干擾，對(duì)于生產(chǎn)流水線(xiàn)，更能省時(shí)省力。由高能激光制作的標(biāo)記不會(huì)因?yàn)閻毫迎h(huán)境而消退，其信息可以永久保持，便于產(chǎn)品的識(shí)別與追溯。相較傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)制作工藝，激光標(biāo)記的模式效率高、成本低、便于操作[1]。

本文對(duì)比了半導(dǎo)體側(cè)面泵浦固體激光打標(biāo)器、半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器和光纖激光打標(biāo)器三種常用的激光打標(biāo)器，并對(duì)適合塑料行業(yè)的半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器工作原理做了說(shuō)明，針對(duì)應(yīng)用時(shí)影響打標(biāo)效果的關(guān)鍵參數(shù)，如電流、頻率、速度等進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，給同行應(yīng)用做參考。

1 原理

常用的激光打標(biāo)器按其工作原理主要分為：半導(dǎo)體側(cè)面泵浦固體激光打標(biāo)器、半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器、光纖激光打標(biāo)器，其中半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)器更適合應(yīng)用于塑料行業(yè)，與半導(dǎo)體側(cè)面泵浦固體激光打標(biāo)器比較，端面泵浦式激光打標(biāo)器的光轉(zhuǎn)化率更高，泵浦源功耗小，標(biāo)記效果細(xì)膩，精密度更高；與光纖激光打標(biāo)器比較，端面泵浦的打標(biāo)效果易于調(diào)試，激光能量更加柔和。

半導(dǎo)體端面泵浦固體激光打標(biāo)機(jī)主要由主機(jī)柜、XY振鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、軟件操作系統(tǒng)等組成。其中，XY振鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)是儀器中的主要部件。光學(xué)系統(tǒng)包括端面泵浦激光器、擴(kuò)束鏡和反射鏡片以及聚焦鏡頭。

激光二極管產(chǎn)生泵浦光，從端面激勵(lì)發(fā)光晶體發(fā)光，經(jīng)過(guò)內(nèi)部擴(kuò)束鏡對(duì)光斑進(jìn)行處理，光束通過(guò)聚焦準(zhǔn)直后射到X軸和Y軸兩個(gè)振鏡掃描器的反射鏡上，振鏡掃描器在計(jì)算機(jī)控制下產(chǎn)生快速擺動(dòng)，使激光束在X、Y兩維方向上進(jìn)行掃描，之后通過(guò)聚焦鏡進(jìn)行聚焦，最終呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)細(xì)微的、高能量密度的光斑，高能量的激光脈沖在物體表面燒蝕形成雕刻[2]。

擴(kuò)束鏡可最大限度的改善激光準(zhǔn)直度進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)距離打標(biāo)效果，而擴(kuò)束鏡也必須和相應(yīng)的激光器配合，才能發(fā)揮激光器的最大效果。計(jì)算機(jī)控制的X、Y振鏡的偏轉(zhuǎn)需要相互配合，才能使激光精確的反射到工作臺(tái)面上，振鏡是快速精密機(jī)械，因此對(duì)其應(yīng)變速度也是有一定要求的，如圖1所示。

圖1 X、Y振鏡安裝示意圖

2 參數(shù)分析

2.1 電流

激光打標(biāo)器的電流直接反應(yīng)其輸出功率，由電流大小來(lái)控制功率。對(duì)于塑料產(chǎn)品，基礎(chǔ)電流值約15A左右。在其他參數(shù)不調(diào)整的情況下，增加或減少電流會(huì)使塑料的打標(biāo)效果明顯加強(qiáng)或減弱，但是無(wú)法精細(xì)調(diào)節(jié)。對(duì)不同的塑料產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，都有相應(yīng)的電流限位值，低于最低限位值則無(wú)法在材料表面形成標(biāo)記或模糊不清，高于最高限位值則會(huì)使產(chǎn)品發(fā)黃甚至燒焦，標(biāo)記邊緣有毛刺。對(duì)于同一材料，標(biāo)記不同的圖形、字體需要設(shè)定不同的電流，進(jìn)行字體填充時(shí)其電流設(shè)置高于無(wú)填充，如在某一ABS材料表面標(biāo)記字符串，填充的Arial字體需設(shè)置電流為17A才能標(biāo)記清晰，而無(wú)填充Arial字體需設(shè)置電流為13A即可。總之，電流的調(diào)整，對(duì)于塑料標(biāo)記來(lái)說(shuō)，只是粗調(diào)，更進(jìn)一步的調(diào)節(jié)還需要調(diào)節(jié)其他的參數(shù)。

2.2 頻率

頻率是指激光器每秒鐘輸出的脈沖個(gè)數(shù)，單位為KHz。改變頻率可以改變激光輸出頻率，進(jìn)而改變單點(diǎn)能量和峰值功率。激光標(biāo)記即利用高能量的點(diǎn)在材料表面進(jìn)行標(biāo)記，每個(gè)圖形或字體都是由多個(gè)密集的點(diǎn)組成的，保持圖形或字體大小不變的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)頻率就是調(diào)節(jié)點(diǎn)的密集程度，即單位時(shí)間內(nèi)激光出光數(shù)目的多少。當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，提高頻率，則提高點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)而能夠提高線(xiàn)條的連續(xù)性，底紋會(huì)相對(duì)平滑，但會(huì)減弱每個(gè)點(diǎn)的作用時(shí)間；相反的，降低頻率會(huì)降低點(diǎn)的數(shù)量，能夠增加每個(gè)點(diǎn)的作用時(shí)間，有利于標(biāo)記深度，但是相應(yīng)的也會(huì)降低圖形或字體的流暢性。頻率高，打標(biāo)點(diǎn)致密；頻率低，打標(biāo)點(diǎn)稀疏。選擇一個(gè)合適的頻率，能夠使標(biāo)記的圖形或字體美觀流暢。不同的激光打標(biāo)儀，由于內(nèi)部構(gòu)造的差異，頻率數(shù)值是無(wú)法通用的，針對(duì)不同的儀器需根據(jù)設(shè)備性能重新設(shè)定頻率值。

2.3 速度

速度包含打標(biāo)速度和空跳速度兩項(xiàng)，打標(biāo)速度是指打標(biāo)時(shí)振鏡的運(yùn)行速度；空跳速度是指空跳時(shí)振鏡的運(yùn)行速度，兩者的單位為mm/s。在打標(biāo)過(guò)程中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)打標(biāo)速度來(lái)控制打標(biāo)效果。打標(biāo)速度太快，每個(gè)點(diǎn)作用的時(shí)間短，單點(diǎn)能量小，出來(lái)的效果不夠精細(xì)、稀疏、無(wú)深度；打標(biāo)速度太慢，則每個(gè)點(diǎn)的作用時(shí)間長(zhǎng)，單點(diǎn)的能量大，標(biāo)記顏色太深，也會(huì)在一定程度上降低圖形或字體的平整度。而空跳速度則會(huì)影響打標(biāo)的總時(shí)間。速度和頻率兩者是相輔相成的，兩者相互配合，頻率太快，速度太低，則可以明顯看見(jiàn)圖形或字體的點(diǎn)的分布。當(dāng)流水線(xiàn)生產(chǎn)時(shí)，有一定的速度要求，這時(shí)就需要更精確的調(diào)整頻率。

2.4 其他參數(shù)

除了以上重要的3個(gè)參數(shù)外，有些其他的參數(shù)也可以進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)使圖形更加清晰明了，如填充間距和打標(biāo)次數(shù)。填充間距是指將圖形或字體內(nèi)部用點(diǎn)組成的線(xiàn)填滿(mǎn)時(shí)，線(xiàn)與線(xiàn)之間的距離，單位為mm。數(shù)值過(guò)小，填充的過(guò)密，相對(duì)的打標(biāo)時(shí)間會(huì)過(guò)長(zhǎng)，效果會(huì)過(guò)深，甚至?xí)l(fā)黃；數(shù)值過(guò)大，填充效果會(huì)失效。當(dāng)速度一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整填充間距來(lái)調(diào)節(jié)打標(biāo)時(shí)間。打標(biāo)次數(shù)是指觸發(fā)后對(duì)單個(gè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)多次標(biāo)記。對(duì)于一些要求標(biāo)記深度的樣品來(lái)說(shuō)，除了加大電流和提高頻率外，可以通過(guò)提高打標(biāo)次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電流或頻率受限時(shí)，或者為避免出現(xiàn)樣品顏色過(guò)深、燒焦的情況，也可以通過(guò)調(diào)整打標(biāo)次數(shù)來(lái)輔助打標(biāo)，使打標(biāo)效果更佳精細(xì)，一般先采用低電流快速標(biāo)記用于標(biāo)識(shí)出輪廓，再采用高電流進(jìn)行重復(fù)標(biāo)記，但是兩次或多次標(biāo)記工作效率低，一般不適用于生產(chǎn)流水線(xiàn)。

3 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)和激光工藝的不斷進(jìn)步，激光打標(biāo)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，其實(shí)用性和可靠性的不斷提高，已成為在塑料表面打標(biāo)的主流工藝。激光打標(biāo)可對(duì)各種材料表面進(jìn)行標(biāo)記，不同種類(lèi)材料對(duì)設(shè)備要求不同，其中塑料對(duì)設(shè)備具有廣泛適應(yīng)性，本文就其中打標(biāo)效果最好的一種激光打標(biāo)器進(jìn)行了概述。

對(duì)于同一材料，不用的設(shè)備打標(biāo)參數(shù)不同，不可直接將一種型號(hào)設(shè)備的參數(shù)直接應(yīng)用于另一型號(hào)設(shè)備；不同的材料，相同的設(shè)備，打標(biāo)參數(shù)也只可借鑒。一般通過(guò)如顏色、平整度、線(xiàn)條流暢性等直觀性的因素來(lái)評(píng)價(jià)打標(biāo)效果的好壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張玉華, 陸茵. 關(guān)于激光打標(biāo)的原理及發(fā)展的研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2014(5): 33-35.

[2] 王炳龍, 王家先. 激光打標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用[J]. 電訊工程, 2009, 16(2): 19-23.

Application of Semiconductor End Pumped Solid Laser Marking Machine in Plastic Industry

LIU Qin, ZHANG Li-juan
（Shanghai KINGFA Sci. & Tech. Co., LTD., Shanghai 201714, China）

Abstract:Laser marking technology was briefly introduced and three laser marking machines were compared. The principle of semiconductor end pumped solid laser marking machine was introduced, and a brief analysis of the key parameters affected the marking effect of the plastic industry, such as current, frequency and speed.

Key words:laser marking technology; semiconductor end pumped solid laser marking machine; principle; parameters

作者簡(jiǎn)介：劉芹（1989~），女，本科；主要從事功能材料性能與檢測(cè)的研究。lq_kingfa@163.com

收稿日期：2015-12-03

文章編號(hào)：1009-220X(2016)01-0080-03

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160110

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A