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为打标应用选择最佳的激光器
作者:Trumpf公司 Dennis Kaminski
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激光打标机展厅
半导体激光打标机, CO2激光打标机, 光纤激光打标机, ...
激光打标应用中,材料类型、打标质量要求和打标速度,都是选择激光器时所要考虑的重要因素。虽然固态连续波CO2激光器常用于打标应用,但是它们通常不用于金属打标,因此下文将重点讨论固体脉冲激光器的选择。目前,市场上存在多种可用于打标应用的脉冲激光器,这些激光器包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器以及光纤激光器,当然,每种激光器在打标应用中都各有利弊。

除了要深入了解激光器和材料的特性外,还要了解被标记的材料对所选激光器输出波长的吸收情况,这一点也是非常重要的。通常,有色金属和非有色金属材料对1064nm的激光具有良好的吸收;贵重金属对532nm 和355nm波长的光具有很好的吸收;而塑料则能吸收更长波长的激光输出(见图1)。

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图1:不同材料对不同波长的激光的吸收情况

激光器的选择考量

Nd:YAG激光器已经拥有了超过25年的使用历史,目前其已经成为工业应用中的一支主力军。最初,Nd:YAG激光器采用灯泵浦,随后则发展成为普遍采用二极管泵浦。采用二极管泵浦的Nd:YAG激光器更加牢固耐用,具有卓越的平均无故障时间(MTBF)。一些制造商预计,在二极管的寿命到达之前,整个系统的MTBF值超过35,000小时。Nd:YAG激光器的一个显著优势是其能够提供优异的光束质量,能获得较小的光斑尺寸。小光斑尺寸结合较短的脉冲,便产生了较高的峰值功率,从而能够实现清晰、整洁的打标和精细深雕。

Nd:YVO4激光器能输出三种不同的波长:1064nm、532nm和355nm。Nd:YVO4激光器同样采用二极管泵浦,输出的脉冲与脉冲之间高度稳定,光束质量好,因此Nd:YVO4激光器非常适合烧蚀标记以及热影响区(HAZ)类的应用。Nd:YVO4激光器的应用之一是用于汽车中的“day/night”按键打标,其用激光将按键顶部的涂层去除,使光能在夜间从背后照亮按钮。由于去除涂层后的暴露面位置稍低,因此更不易受损。

光纤激光器大约于六年前被引入打标市场,目前其已经成为每种打标应用中都要考虑应用的热门话题。在光束质量方面,光纤激光器不及Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器,这也限制了其峰值功率的提高。光纤激光器可用于不锈钢退火,这是因为其能提供较长的脉宽和较大的光斑尺寸,能将更多的热量汇聚到工件上。值得一提的是,目前只有极少数光纤激光器制造商能提供可集成到打标系统中的光纤激光器产品。

就运营成本和耗材而言,上述三种激光器并太大的不同,因此用户可以尽情地选择最佳的激光技术,而不用作成本方面的权衡。需要牢记的一点是,所有固体激光器的输出功率会随着应用时间的推移而有所下降,但厂商可以在产品出厂时对系统进行校准,以保持激光器的输出功率恒定。这样,激光器在投入使用后便能保持相同的打标质量和打标速度。

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光束特性——激光打标的光束质量是由M2值确定的,M2值通常由激光器制造商提供。高斯光束的M2值为1,因此高斯光束能提供最小的光斑尺寸。Nd:YAG激光打标系统和Nd:YVO4激光打标系统能获得的最佳光束质量为M2=1.2;光纤激光器打标系统的最佳M2值为1.7,显然与上述两种激光器相比,其光斑尺寸更大、激光功率密度更低。更好的光束质量能产生更窄的线宽、更清晰的打标轮廓、更高的打标速度(因为功率密度高)以及更深的雕刻深度。较好的光束质量还能提供更深的聚焦深度。例如,用M2值为1.2的激光束在弯曲的表面上打标,相较于使用M2值更高的光束(如光纤激光器的输出)而言,能够获得更清晰的标记。

脉冲重复频率——在峰值功率和脉冲重复频率的范围上,Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器与光纤激光器有着很大的不同。作为主振荡光纤功率放大器(MO​​FPA)的光纤系统,其输出光的脉冲持续时间可以调整,这将为优化打标过程提供可用的脉冲重复频率(见表)。

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打标应用

激光打标应用中常用的术语包括:雕刻、退火、烧蚀、塑料颜色的变化等。针对具体应用的不同,用户可以选择最为合适的激光器,以实现更加优化的激光打标过程。当用于烧蚀“day/light”按键元件时,Nd:YVO4激光器表现最好,因为其能提供短脉冲,并能在较高的脉冲重复频率下保持脉冲与脉冲之间的高度稳定性,从而在去除元件表面上的涂层时,不损害下面的塑料基体材料(见图2)。在标记阳极氧化铝(anodized aluminum)材料时,也常常使用烧蚀工艺,这是迄今为止最普遍的一种激光加工过程。

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图2:一个用于汽车上的塑料成型元件,其上已经镀有涂层。多余的涂层通过激光去除,使变速杆旁的字母显现出来

另一种常见的应用是退火不锈钢和钛材质的医疗元件,如医疗植入物和医疗仪器等。在这类应用中,提供较高的集中峰值能量、稍长的脉冲持续时间是非常重要的,以便在表面上获得清晰的暗色标识,当然这些标识必须要达到钝化与高压周期等测试要求(见图3)。

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图3:一条长约50µm的退火线显示了均匀脉冲的加工效果(a),横截面显示了退火标记的深度(b)。
(c)显示了医用起搏器/除颤器中的钛罐的打标效果。

在雕刻材料时,选择最佳的频率和速度参数至关重要,以实现材料的蒸发。通常情况下,短脉冲和高峰值功率的激光在这类应用中表现出色。

未来,上述提到的三种激光技术都将在工业生产中找到各自的用武之地。当然,这些激光技术将会继续发展以满足不断变化的制造需求。在选择激光打标机时,一定要选择一个好的激光器供应商作为合作伙伴,这一点也是非常重要的。另外,最好能根据需要打标的具体材料,对各种激光器进行测试,最后根据打标速度、打标质量和预算方面的考虑,选择最合适的解决方案。
文章内容仅供参考 (投稿) (7/20/2011)
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