激光标刻探密 - 文章

激光标刻探密

作者：James Benes 来源：美国American Machinist 杂志

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对于工具、工件和组件进行激光标刻加工，具有很多方面的应用优势。这种加工方式可产生恒久的标刻表面，其工艺灵活多样，不仅安全可靠，而且十分环保；它不仅能够在平面、曲面以及形状怪异的物体上游刃有余，而且适合在各种不同材料，甚至在其它标刻加工可能造成破损的材料上使用。

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激光标刻是一种非接触式的热加工方法，它根据激光束所产生的热量摧毁工件表面的部分材料。顾名思义，从“激光，Laser”这个英文缩写词的本义 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，受激辐射式光频放大器) 可知，激光是以高强度激光束的形式来吸收和发射能量、继而实现光频放大的。

各种激光系统都包括某种受激介质，这种介质的原子可被激发而产生自发光。

受激介质可以是某种混合气体——比如二氧化碳或氦氖气体；可以是半导体基材——比如激光二极管；可以是液体染料激光；也可以是某种晶体——比如钕-钇铝石榴石 (Nd:YAG)、钕-氟化钇锂晶体(Nd:YLF)或红宝石。激光还具有一种称为泵浦的激发能量源，也即介质的原子。泵浦源通常以放电方式工作，采用高强度的光源或来自其它激光器的光束。

固体钕-钇铝石榴石激光可在各种金属与非金属材料的标刻加工中使用，而且通常都采用光束控制型激光标刻。

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系统的控制

为了达到要求的效果，光束控制型钕-钇铝石榴石激光标刻系统提供了多种热反应控制方式供操作者选用，既能采用手动操作，也可以利用计算机进行控制。

通过增加或降低氪弧灯的电流，可以调节激光输出的功率。随着电流的改变，激光输出功率和增益率也会相应地发生变化。

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钕-钇铝石榴石激光系统的组成

一旦以激励灯电流建立一定的光频放大总量之后，操作人员就可以用Q开关调节激光的脉冲频率。Q开关能有效地把激光输出分割成脉冲光束。理解这一现象的最佳途径，是把Q开关激光看成是一个“光学电容器”。激光的能量在不发射光束的各脉冲之间得到储存，这与电容器十分相似。

如果采用Q开关的脉冲式激光，那么输出的脉冲光束之中包含了绝大部分储存的能量。

如果将脉冲频率设为低频 (1kHz)，则相邻脉冲之间充电时间长，因而产生的峰值脉冲功率相当高，而脉冲宽度非常窄 (约为 100 毫微秒)。如果将脉冲频率提高到10 kHz，则由于相邻脉冲之间充电时间的缩短而降低了峰值功率。

低频、大功率的峰值脉冲可迅速升高工件表面的温度，材料即刻就气化蒸发，仅有极少热量传导到零件的内部。激光脉冲频率越高，产生的峰值功率就越低；这样的话，如果材料发生气化现象，就会形成更多的热传导。与此同时，在给定时间内，如果有更多的脉冲，那么加工表面的热传导也会上升。

Q开关的脉冲频率可能是热加工最重要的控制变量。脉冲频率可随激发光电流的变化，实现手动或部分程控的功能。当激光的输出功率与激发光的电流和脉冲频率相匹配之后，操作者就必须确定光束的移动速度——即标刻的速度。

理想条件下的每一种生产应用，都需要以最大的速度运行，以获得最高的产量。而对于激光标刻来说，光束的移动速度是热加工的另一个重要变量，必须加以正确设置，以获得要求的加工效果。

深度标刻的典型深度在 0.002 英寸以上，必须以多个激光脉冲射到标刻线的每一点上，才能达到所需的加工深度。为此，就必须降低激光束的行进速度。如需进行浅标刻，则可增大移动速度、乃至达到系统的最大值。此时，脉冲频率设定值将呈现相应的热扩散性，最终的标刻效果可能无法达到美观的要求。一般的应用规则是，激光脉冲至少应具有 50% 的重叠率，被加工表面才会形成一条连续的标刻线。

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由 Telesis Technologies 公司 (网址：www.telesis.com)
所开发的 Express10EV激光系统 (见上图)，可以在高反射硅片上雕刻
高分辨率的纤细文字。

材料因素

钕-钇铝石榴石激光能兼容各种激光标刻材料。某些材料的特性会影响标刻加工的效果，这些特性包括反射率、吸收特性、导热性、工件的颜色和表面光洁度。

激光必须被吸收，才能产生热量。如果被加工的材料对激光具有很强的反射性，就需要增大激光的功率，降低脉冲频率，从而获得更高的峰值功率。另外，还可以降低光束移动的速度。

对于反光性材料，可能就根本无法进行标刻加工。

多数的金属材料都可以吸收钕-钇铝石榴石激光，其波长为 1.06 毫米，因而很容易进行标刻加工。金的反射性很强，因而需要更大功率的激光。有的有机材料（比如木材和纸张），几乎能 100% 反射光线，因此无法标刻。

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激光的种类

密封型二氧化碳激光：采用表面变色方式，标刻成本较低。适用于塑料、涂料漆、油墨、陶瓷和其它非金属材料。

Stab二氧化碳激光：适用于非金属材料表面的深层修整。

二极管泵浦钕-钇铝石榴石固体激光器 (DPSS)：光束质量高，脉冲稳定性好。适用于细小字的深度透雕。

脉冲掺钕-钇铝石榴石激光：非常高的峰值脉冲功率，可用于深度标刻和宽幅标刻。

三倍频钕-钇铝石榴石激光：属于紫外线波段，可产生微雕所需的最窄线宽；具有多种特种材料所需的最适宜波长。

二倍频钕-钇铝石榴石激光：属于绿色可见光波段，适用于细线宽的小字雕刻；最适用于金、多种合成材料和塑料。

Q开关钕-钇铝石榴石激光：峰值功率高，脉冲宽度窄，适用于深度透雕/雕刻。最适用于多数金属材料和许多非金属材料。

如果存在反射率的问题，则采用二倍频激光所获得的标刻效果更好一些。这种激光的波长为 532 纳米，属于绿色可见光。采用波长为 10.6 微米 (远红外区域)的二氧化碳激光标刻系统，也能得到令人满意的效果。

各种材料的吸收率都随温度而发生变化。由于激光标刻过程会升高材料的表面温度，因而吸收率呈显著增加的材料，就可能无法进行标刻加工。比方说，有些塑料具有较陡的吸收率-温度曲线，因而几乎就无法获得美观的标刻效果。激光束刚照射到这些材料上，表面温度和热量吸收率就急剧上升了。更糟糕的是，由于这些材料吸收了大量的能量，温度迅速升高，因而造成热量吸收率的进一步上升。

仅需毫秒级的片刻工夫，这些材料就发生了气化蒸发。如果降低激光的功率，并尝试补偿和控制加工过程，就有可能使热量无法被充分吸收，实现对初始温升的控制，塑料对激光的照射就不会产生显著的变化了。如果问题变得严重，则可以选择二倍频的钕-钇铝石榴石激光或二氧化碳激光，以获得更易于控制的吸收率-温度曲线。

导热性强的材料并非一概不能进行激光标刻，只是达到要求效果的难度更大一些。必须妥善调节激光的参数，以补偿材料自身“散热”的问题。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/14/2008)


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