文档介绍：固体激光器巩固激光打标应用的地位
多年来,激光打标几乎“入侵”到各种制造业中。在性能和机器成本方面,激光打标技术更是突飞猛进。本文着重介绍了脉冲固体激光打标技术和应用。连续波固体激光器很少用于打标。二氧化碳激光器广泛应用于有机材料(比如木材、皮革等)的包装打标。与固体激光器应用相比,二氧化碳激光器可应用于低对比度、工作面积更大的打标。固体激光器和二氧化碳激光器的应用并没有明显的重叠之处。
哪种才是合适的激光器?
许多人都同意这一观点:汽车的马力越大,车速也就越快。这种观点非常简单,但不幸地是并不正确,也许还有其他更重要的因素。是不是还要考虑汽车的重量和牵引轮胎质量?一台马力稍逊的汽车很有可能在车速上会超过其他车。激光打标也会有同样的情况,要为当前的任务选择合适的激光器,对于激光器来说,要考虑的参数不是马力而是功率。其他要考虑的因素还有脉冲频率、脉冲宽度和峰值频率。
图1 打标效果分析
激光打标首先应该考虑客户的需求。人们通常需要在打标质量、打标时间以及打标深度三者之间进行权衡。打标所花费的时间和打标深度很容易量化。然而对于打标质量来说,每一个客户都有不同的期望,客户考虑的因素有:色彩对比、边缘质量(锐利、洁净、笔直、毛刺)、表面光洁度、线宽、分辨率、曲面上打标的一致性、抗划伤性(仅对塑料而言)、热影响区域(HAZ)以及脉冲到脉冲的稳定性,这还仅仅是列出了一部分因素。除了打标技术规范,一些客户还要求打标方法具备多用性,比如要求能够对多种材料进行打标,或者对同一种材料进行重复打标。
图2 不同激光器参数分析
激光打标技术
由于需求的复杂性,目前不存在一个简单的规则适用于所有应用——因为每一种应用都不相同。缩小参数范围的唯一方法就是详细了解不同激光打标技术的优劣,才有可能找到适合特定需求的激光器。一个应用的最终检验总是在应用实验室内由专业人士完成。当前使用的激光打标类型有三种:Nd:YAG(棒激光器)、Nd:YVO4(棒激光器)以及光纤激光器。Nd:YAG已经几乎完全被二极管泵浦激光器技术所取代。高性能YAG和钒酸盐激光器是水冷式的,但在性能稍低时也可以是风冷的。大多数光纤激光器也是如此。假定在同时采用最先进设计的情况下,就耗材、电源要求和泵浦二极管寿命而言,YAG、钒酸盐和光纤激光器的运行成本几乎完全一样。因此,客户可以选择适合他们应用需求的激光器,而不用考虑成本问题。
相关的光束特性
在金属上进行雕刻要求材料能够熔化和蒸发。这一工艺可以这样解释:平均激光功率用来熔化材料,峰值功率用来蒸发材料。达到最佳雕刻率有一个关键点,就是正好有足够多的已熔化材料能在有效峰值功率下被蒸发。如果已熔化材料过多,会导致雕刻率下降以及过多的再铸材料和毛刺。如果已熔化材料不足而峰值功率充足,会导致雕刻率下降。只有在高峰值功率下,才能在一些陶瓷和塑料上打出精密的高对比度标记。
图3 特性曲线
脉冲宽度
所有的固体激光打标系统都是纳秒级激光器。Nd:YAG激光器通常是10到150纳秒,钒酸盐激光器是5到30纳秒。这两种激光器的脉冲宽度会随着频率的增加而变长。光纤激光器的脉冲宽度或是固定在100纳秒范围内,或是通过使用主振荡光纤功率放大器(MOFPA)设计,从而让脉冲宽度在10到200纳秒间变动。脉冲宽度影响到材料的热穿透深度。短脉冲是灵敏