作者:Dennis Kaminski;Trumpf公司
除了要深入了解激光器和材料的特性外,還要了解被標記的材料對所選激光器輸出波長的吸收情況,這一點也是非常重要的。通常,有色金屬和非有色金屬材料對1064nm的激光具有良好的吸收;貴重金屬對532nm 和355nm波長的光具有很好的吸收;而塑料則能吸收更長波長的激光輸出(見圖1)。
圖1:不同材料對不同波長的激光的吸收情況。
Nd:YAG激光器已經(jīng)擁有了超過25年的使用歷史,目前其已經(jīng)成為工業(yè)應用中的一支主力軍。最初,Nd:YAG激光器采用燈泵浦,隨后則發(fā)展成為普遍采用二極管泵浦。采用二極管泵浦的Nd:YAG激光器更加牢固耐用,具有卓越的平均無故障時間(MTBF)。一些制造商預計,在二極管的壽命到達之前,整個系統(tǒng)的MTBF值超過35,000小時。Nd:YAG激光器的一個顯著優(yōu)勢是其能夠提供優(yōu)異的光束質(zhì)量,能獲得較小的光斑尺寸。小光斑尺寸結(jié)合較短的脈沖,便產(chǎn)生了較高的峰值功率,從而能夠?qū)崿F(xiàn)清晰、整潔的打標和精細深雕。
Nd:YVO4激光器能輸出三種不同的波長:1064nm、532nm和355nm。Nd:YVO4激光器同樣采用二極管泵浦,輸出的脈沖與脈沖之間高度穩(wěn)定,光束質(zhì)量好,因此Nd:YVO4激光器非常適合燒蝕標記以及熱影響區(qū)(HAZ)類的應用。Nd:YVO4激光器的應用之一是用于汽車中的“day/night”按鍵打標,其用激光將按鍵頂部的涂層去除,使光能在夜間從背后照亮按鈕。由于去除涂層后的暴露面位置稍低,因此更不易受損。
光纖激光器大約于六年前被引入打標市場,目前其已經(jīng)成為每種打標應用中都要考慮應用的熱門話題。在光束質(zhì)量方面,光纖激光器不及Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器,這也限制了其峰值功率的提高。光纖激光器可用于不銹鋼退火,這是因為其能提供較長的脈寬和較大的光斑尺寸,能將更多的熱量匯聚到工件上。值得一提的是,目前只有極少數(shù)光纖激光器制造商能提供可集成到打標系統(tǒng)中的光纖激光器產(chǎn)品。
就運營成本和耗材而言,上述三種激光器并太大的不同,因此用戶可以盡情地選擇最佳的激光技術(shù),而不用作成本方面的權(quán)衡。需要牢記的一點是,所有固體激光器的輸出功率會隨著應用時間的推移而有所下降,但廠商可以在產(chǎn)品出廠時對系統(tǒng)進行校準,以保持激光器的輸出功率恒定。這樣,激光器在投入使用后便能保持相同的打標質(zhì)量和打標速度。
光束特性——激光打標的光束質(zhì)量是由M2值確定的,M2值通常由激光器制造商提供。高斯光束的M2值為1,因此高斯光束能提供最小的光斑尺寸。Nd:YAG激光打標系統(tǒng)和Nd:YVO4激光打標系統(tǒng)能獲得的最佳光束質(zhì)量為M2=1.2;光纖激光器打標系統(tǒng)的最佳M2值為1.7,顯然與上述兩種激光器相比,其光斑尺寸更大、激光功率密度更低。更好的光束質(zhì)量能產(chǎn)生更窄的線寬、更清晰的打標輪廓、更高的打標速度(因為功率密度高)以及更深的雕刻深度。較好的光束質(zhì)量還能提供更深的聚焦深度。例如,用M2值為1.2的激光束在彎曲的表面上打標,相較于使用M2值更高的光束(如光纖激光器的輸出)而言,能夠獲得更清晰的標記。
脈沖重復頻率——在峰值功率和脈沖重復頻率的范圍上,Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器與光纖激光器有著很大的不同。作為主振蕩光纖功率放大器(MOFPA)的光纖系統(tǒng),其輸出光的脈沖持續(xù)時間可以調(diào)整,這將為優(yōu)化打標過程提供可用的脈沖重復頻率(見表)。
打標應用
激光打標應用中常用的術(shù)語包括:雕刻、退火、燒蝕、塑料顏色的變化等。針對具體應用的不同,用戶可以選擇最為合適的激光器,以實現(xiàn)更加優(yōu)化的激光打標過程。當用于燒蝕“day/light”按鍵元件時,Nd:YVO4激光器表現(xiàn)最好,因為其能提供短脈沖,并能在較高的脈沖重復頻率下保持脈沖與脈沖之間的高度穩(wěn)定性,從而在去除元件表面上的涂層時,不損害下面的塑料基體材料(見圖2)。在標記陽極氧化鋁(anodized aluminum)材料時,也常常使用燒蝕工藝,這是迄今為止最普遍的一種激光加工過程。
另一種常見的應用是退火不銹鋼和鈦材質(zhì)的醫(yī)療元件,如醫(yī)療植入物和醫(yī)療儀器等。在這類應用中,提供較高的集中峰值能量、稍長的脈沖持續(xù)時間是非常重要的,以便在表面上獲得清晰的暗色標識,當然這些標識必須要達到鈍化與高壓周期等測試要求(見圖3)。
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在雕刻材料時,選擇最佳的頻率和速度參數(shù)至關重要,以實現(xiàn)材料的蒸發(fā)。通常情況下,短脈沖和高峰值功率的激光在這類應用中表現(xiàn)出色。
未來,上述提到的三種激光技術(shù)都將在工業(yè)生產(chǎn)中找到各自的用武之地。當然,這些激光技術(shù)將會繼續(xù)發(fā)展以滿足不斷變化的制造需求。在選擇激光打標機時,一定要選擇一個好的激光器供應商作為合作伙伴,這一點也是非常重要的。另外,最好能根據(jù)需要打標的具體材料,對各種激光器進行測試,最后根據(jù)打標速度、打標質(zhì)量和預算方面的考慮,選擇最合適的解決方案。
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