振镜式激光打标系统及工艺参数分析

摘要：介绍了激光打标系统的总体结构，以振镜式激光打标机为例，分析了其控制原理和工作流程，并分别说明了基于点阵扫描和矢量扫描两种方式对图形进行处理的打标方法。在介绍标刻试验和打标软件工艺参数优化的基础上，详细阐述了激光工艺参数的设置对标刻效果的影响。

关键词关键词：激光打标；控制原理；工作流程；工艺参数

中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2013）011004302

0引言

激光打标是利用激光束的高能量密度使工件表层材料发生化学或物理变化，从而在工件表面留下永久性标记的技术＼[1＼]。与传统的气动标刻、丝网印刷、化学腐蚀等标刻方式相比具有标刻精度高、速度快、字迹清晰永久、对工件不产生机械压力、免维护等优点。近年来，随着各类激光器的不断发展，以及计算机控制技术的发展和光学器件可靠性的提高，目前激光打标正逐渐取代传统的标刻方式，其应用越来越广，并成为行业的主流技术。

激光打标机是综合了激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于一体的光机电一体化系统＼[2＼]。根据激光打标机的实现功能不同，它主要由激光器、光路控制系统及打标控制系统组成。按其打标方式分，现在常用的有掩模式打标、阵列式打标和扫描式打标，其中扫描式打标由于具有高度的灵活性而得到了最广泛的应用。本文研究的激光打标机采用振镜扫描式打标模式。

1激光打标系统总体结构

激光打标系统是激光器、红光指示器、振镜扫描系统、工控机、电源的高度集成，其系统组成如图1所示。

（1）激光器。作为激光源是打标系统的核心部件之一，激光器为激光打标系统提供具有一定能量密度的激光束。激光器的类别选择与加工材料有关，因为不同的材料对不同波长激光的吸收存在差别。由于打标试验主要是针对各类金属材料展开，因此选用波长为1 064nm的脉冲光纤激光器，平均输出功率20W，重复频率调节范围20～60kHz。

（2）红光指示器。标示出要被标刻图形的外框或轮廓，用来指示加工区域，方便对打标工件进行定位。

（3）振镜扫描系统。由两个高速扫描振镜组成，驱动信号控制振镜电机的偏转。输入一个驱动信号，振镜电机就会按一定电压与角度的转换比例摆动一个角度，从而通过振镜控制激光束的偏转方向及在工件上的落点。

（4）工控机。它是整个打标系统的控制中心，是打标软件和控制卡的安装载体，完成打标文字、图形的绘制与编辑，通过控制打标卡，将打标对象转换成扫描振镜能够识别的驱动信号。

（5）电源。根据打标系统各部件的供电要求，分别对它们进行供电。

2激光打标机控制原理

2.1扫描式打标基本原理

扫描式打标主要是利用光的反射原理，通过控制反射镜（振镜）的偏转角度，从而改变激光束的方向。反射镜通常安装在转动装置上，如电机等，这样能够通过控制转动装置的角度来控制激光束偏转，如图2所示。

激光器产生的入射激光首先照射在X反射镜上，通过X的偏转使它向X方向产生一个偏角，然后投射到Y反射镜的转动轴心上，经过Y方向的反射，使激光向Y方向又产生一个偏角，最后通过聚焦透镜到加工工件的表面，进行激光标刻。目前，激光打标机所使用的聚焦透镜一般为平场透镜，它可以保证聚焦透镜的焦面在整个工作区域一致。

2.2激光打标机工作流程

为标刻出用户所设计的文字、图形，根据扫描式打标的基本原理，首先将输入的打标内容转换为扫描位置控制数据，利用振镜扫描系统对激光加工的位置进行定位，同时控制激光能量强度，进行加工处理。整个打标过程中，主要体现在对激光光路和激光参数的控制，工作流程如图3所示。

图3激光打印机工作流程 扫描式打标可分为点阵打标和矢量打标，点阵打标在图形描述上以点阵描述，打标时按顺序逐行进行扫描；矢量打标是用有向线段描述图形，即生成的图形由直线构成，打标时采用划线式标刻，得到的打标图形具有很高的美观度。打标试验中选择矢量打标方式。通常，用户输入的数据包含文字和图形，如果是文字，则需要结合字库，生成文字的图形描述；如果是条码，则根据算法生成对应图形＼[4＼]。对需要打标的内容用点阵图或矢量图描述后，再结合系统设置的打标控制参数，将打标的内容转换为扫描系统和激光工艺参数的控制数据，再将控制数据转换为控制信号，将它们分别作用于振镜扫描系统和激光器，就能在工件上复现用户编辑的文字或图形。

3激光标刻工艺分析

金属在打标材料中占了很大比例，围绕金属材料开展了激光标刻的试验分析，并对标刻工艺参数进行了优化。试验常用的金属材料有铝、钢和铜，其中铝材的表面处理方式有多种，包括喷漆、表面氧化、抛光等。

3.1金属材料激光标刻的可行性

利用激光束在不同种类的金属材料上进行标刻，标刻效果及工艺参数设置截然不同，其原因在于不同材料对波长为1 064nm的光纤激光吸收情况不同。另外，材料表面的处理方式不同以及表面的颜色、光洁度的变化，对激光标刻工艺参数均有不同程度的影响，表面光洁度太高，会导致材料对激光能量的吸收率降低。

试验所用的各类金属材料对波长为1 064nm的光纤激光吸收较好，能得到较好的标刻质量。

3.2打标软件工艺参数对标刻质量的影响

激光波长决定了它所能加工的材料，实际标刻中，影响标刻质量的激光工艺参数还有激光功率、重复频率、标刻速度等，这些参数都相互联系，设置时需综合考虑。

（1）激光功率。即激光能量，只有激光的能量达到一定程度，才能在材料上留下人眼可以辨别的痕迹。激光功率的增大意味着脉冲峰值功率和平均功率都增大，激光束与材料的热作用就加剧，导致材料熔化，甚至汽化，从而标刻痕迹明显。在加工材料对激光吸收率一定，并且标刻速度和重复频率不变的前提下，不断加大激光功率会导致单位面积上获得的激光能量（激光能量密度）加大而引起打标痕迹加深、发黑、边缘毛刺等现象，不适合精细标刻的要求。

（2）重复频率。即单位时间内激光出光数目的多少，在相同激光功率的情况下，频率低激光峰值功率高，激光输出能量就越大，另外，频率低时每个点作用的时间变长，相应的每个点的标刻深度就会变深，适合打深度。

（3）标刻速度。即单位时间激光扫描的距离，不仅可以通过改变激光功率来控制激光能量，还可以通过改变标刻速度来控制激光能量，也就是通过改变振镜的偏转速度来控制激光能量。标刻某一矢量，当标刻速度逐渐加快时，激光束与材料相互作用的时间就越短，使得标刻深度逐渐减小；当标刻速度过大时，激光束与材料相互作用的时间就极短，材料表面来不及吸收激光能量，导致标刻痕迹不明显。若感觉激光功率不够大，标记不明显，可以适当减小标刻速度。同时，标刻速度和频率须相互配合，当速度太快且频率太低时，明显发现线条不连续。

要标刻出高质量的产品，不仅要考虑各项激光工艺参数对材料进行标刻的影响，在标刻过程中还须合理地调节激光开启延时、激光关闭延时、拐角延时、跳跃延时等标记参数，对振镜机械惯性产生的过冲影响进行校正。如在标刻速度较高时，可以适当增加延时。

3.3激光工艺参数优化

在不同材料及不同表面处理方式的工件上，对激光功率、重复频率、标刻速度等工艺参数进行组合工艺试验。对试验结果进行分析，找出各工艺参数单独作用和共同作用对工件标刻质量的影响规律，不断修正工艺参数，这即是对激光工艺参数进行优化的过程。利用优化的参数进行标刻，成功地在各类金属材料上标刻出了高质量的文字和图形。