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美之标为你系统介绍什么是激光打标(一)

时间:2012/7/28 13:02:04  来源: 打印本文

一,激光打标的原理

激光打标设备的核心是激光打标控制系统和激光打标头,因此,激光打标的发展历程就是打标控制系统和激光打标头的发展过程。从1995年起,在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代,控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变,如今,半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战,振镜式激光打标头(振镜式扫描系统)是最新产品。1998年,振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。所谓振镜,又可以称之为电流表计,它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法,镜片取代了表针,而探头的信号由计算机控制的-5V—5V或-10V-+10V的直流信号取代,以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同,这种典型的控制系统采用了一对折返镜,不同的是,驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代,在这套控制系统中,位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度,整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。

振镜扫描式打标头主要由XY扫描镜、场镜、振镜及计算机控制的打标软件等构成。其工作原理是将激光束入射到两反射镜(扫描镜)上,用计算机控制反射镜的反射角度,这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描,从而达到激光束的偏转,使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动,从而在材料表面上留下永久的标记,聚焦的光斑可以是圆形或矩形,其原理如右图所示。在振镜扫描系统中,可以采用矢量图形及文字,这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式,具有作图效率高,图形精度好,无失真等特点,极大的提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式,采用这种方式对于在线打标很适用,根据不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜,与前面所述的阵列式打标相比,可以标记更多的点阵信息,对于标记汉字字符具有更大的优势。        

振镜扫描式打标因其应用范围广,可进行矢量打标和点阵打标,标记范围可调,而且具有响应速度快、打标速度高(每秒钟可打标几百个字符)、打标质量较高、光路密封性能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品,并被认为代表了未来激光打标的发展方向,具有广阔的应用前景。

 

二 激光打标的历史

激光打标设备主要经历了大幅面时代、转镜时代三极管和振镜时代,控制方式也完成了电阻从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列电容演变,下面就让我们一起来了解下激光打标技术发展的历史进程。

1、大幅面时代

所谓大幅面,刚开始是将绘图仪的北京激光打标机控制部分直接用于激光打码激光设备上,将绘图笔取下,激光打标在(0,0)点X轴基点、Y轴基点和原绘图笔的位置上分别安装45°折返镜,伸缩门在原绘图笔位置下端安装小型聚焦镜卷帘门,用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘图软件 机房装修输出打印命令即可驱动光路的运行,这种方式最明显的ups报价优势是幅面大,而且基本上能满足精度不间断电源比较低的标刻要求,不需要专用的山特ups标刻软件;但是,这种方式存在着打标速度慢、控制精度低、笔臂机械磨损大、可靠性差、体积大等缺点。因此,在经历最初的尝试后,绘图仪式的大幅面激光打标系统逐步退出打标市场的,现在所应用的同类型的大幅面设备基本上都是模仿以前这种控制过程,用伺服电机驱动的高速大幅面系统,而随着三维动态聚焦振镜式扫描系统的逐步完善,大幅面系统将逐步从激光标刻领域销声匿迹。

2. 转镜时代

由于看到大幅面系统的一系列缺点,在高速振镜技术还没有在中国广泛普及的情况下,一些控制工程师自行开发了由步进电机驱动的转镜式扫描系统,其工作原理是将从谐振腔中导出的激光通过扩束,经过成90°安装的两个步进电机驱动的金镜的反射,由F-theta场镜聚焦后输出作用于处理对象上,金镜的转动使工作平面上的激光作用点分别在X、Y轴上移动,两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动。这种控制过程无论从速度还是定位精度来说都远超过大幅面,因此在很大程度上能满足工具行业对激光控制的要求,虽然同当时国际上流行的振镜式扫描系统还有比较明显的差距,但严格来说这种设计思路的出现和逐步完善代表着中国激光应用的一个里程碑,是中国完全能自行设计和生产激光应用设备的典型标志。直到振镜在中国大规模应用的兴起,这种控制方式才逐步退出中国激光应用的舞台。

3. 振镜时代

1998年,振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。

[所谓振镜,又可以称之为电流表计,它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法,镜片取代了表针,而探头的信号由计算机控制的-5V—5V的直流信号取代,以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同,这种典型的控制系统采用了一对折返镜,不同的是,驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代,在这套控制系统中,位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度,整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。

三,激光打标在各行业的应用

1.激光引见:
     激光技能与计算机技能、原子能技能、生物技能、并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探究天然和改造天然的强有力东西。与电子电力技能、主动化测控技能 的完满连系,使激光技能可以更好的为人类发明美好生活。自1960年激光发明以来,激光技能取得了飞速开展,越来越多的被运用于国民经济的各个范畴,例 如:激光打标、激光焊接、激光打孔、激光切开、激光雕刻、激光划片等。激光技能具有多方面的优势,稀奇是运用计算机操控和高速振镜扫描技能连系,大大进步 了激光打标的速度和精度,运用激光完结的符号作用漂亮、大方,符号的图画永世耐磨,因而在越来越多的出产制作范畴被广泛运用。

2.激光打标机的首要功用:

     是在各类产物上打印各种标识,包罗商标、类型、出产日期、系列号等。可以打印任何图画和文字。比方手机按键上的字符、电脑键盘按键上的字符、各种工艺品、 纪念品等。激光打标机的长处: 1、 非触摸加工。激光打标是经过把高能量的激光束会聚成一个很小的亮点在产物上构成一个痕迹,电脑操控伺服体系使这个亮点在要加工的物品上按预先编排好的图形 数据挪动,这样就构成了想要的图画。所谓非触摸加工是指加工进程中对要加工的物品不需施加任何处力。这就稀奇合适用于精细零件和外恳求较高的工艺品,不会 因受力而变形。 2、 激光打标的印迹是浸透资料的内部,具有永世性、不易磨损,不象丝印等很简略被擦掉或许天然磨损。 3、 激光光点可以集合到很细,再加上计算机伺服操控,可以到很准确,所以激光打标的图画非常精细,在微型零件上做标识比其它手法优胜的多。 4、 激光打标适用资料广泛,简直可以在所有资料上运用。激光打标广泛运用于以下职业: 1) 汽车机械职业:轴承、钢套、活塞环、发动机、出厂金属柔性纸标牌、发动机金属柔性纸标牌、机床等; 2) 电子通讯职业:键盘、电子元器材、家电面板、光缆、电缆等; 3) 五金器材职业:东西、量具、刃具、卫浴洁具、餐具、制锁、刀剪、医用器械、健身器材、不锈钢制品等; 4) 饰扣标牌职业:钮扣、箱包扣、皮带扣、金银饰品、指示牌、胸牌、考勤卡、手刺贺卡、日历、相片、皮包、皮带、笔及笔盒、奖状、奖杯各种证书、保藏器、艺术 品、图书印章、牌子等; 5) 外表眼镜职业:金属表壳、表底、眼镜框、仪器外外表板等; 6) 木器工艺职业:木制工艺品、字画仿制及装表、家具工艺点缀等; 7) 包装瓶盖职业:烟草、食物、药品、化妆品等表里包装、金属瓶盖、易拉罐等。

3.激光打标机的长处:

     彻底完结非机械触摸加工,对加工资料不发作任何机械揉捏或机械应力,不损坏被加工物品;加工质量好,合作精细工作台能完结超精细加工。

1.加工本钱低价运用激光加工速度快的优势,完结不间断,大批量加工,然后使本钱下降,发明可观经济效益。
2.防伪作用明显激光符号完结后,不会因环境联系衰退,可以永世坚持;而传统加工工艺难以仿照激光符号的特有作用,因而激光符号防伪性杰出。
3.高环保性无毒、无磨损;无有毒气体、废液、废料发作,肯定无环境污染。
4.优胜的抗搅扰功能在大气或维护气体中进行加工,不会受强电场和磁场的搅扰,也不搅扰其他设备。
5.满意稀奇加工需求资料的耗费很少,热影响区极小,因而无热变形;可加工内外表或歪斜外表。满意稀奇加工需求。
6.柔性加工由于选用计算机操控,可以灵敏改动加工内容和加工办法,关于需求常常改换异样加工方法的用户,是一种最佳挑选。
7.操作简洁运用计算机数控技能,完结在出产线上对零部件进行高速、高效的主动化加工。

4.激光技能在制作业中的打标运用
4.1、 激光技能在制作业中的运用激光因具有极好的单色性、相干性和方向准直性三大特色,稀奇适用于资料加工。激光加工是激光运用最有开展前途的范畴,如今已开发 出20多种激光加工技能。激光的空间操控性和工夫操控性很好,对加工目标的原料、形状、尺度和加工环境的自由度都很大,稀奇适用于主动化加工。激光加工系 统与计算机数控技能相连系可构成高效主动化加工设备,已成为企业实施当令出产的关键技能,为优质、高效和低本钱的加工出产拓荒了宽广的远景。当前已老练的 激光加工技能包罗:激光疾速成形技能、激光焊接技能、激光打孔技能、激光切开技能、激光打标技能、激光去重平衡技能、激光蚀刻技能、激光微调技能、激光存 储技能、激光划线技能、激光清洗技能、激光热处置和外表处置技能。激光疾速成形技能集成了激光技能、CAD/CAM技能和资料技能的最新效果,依据零件的 CAD模型,用激光束将光敏聚合资料逐层固化,准确堆积成样件,不需求模具和刀具即可疾速准确地制作形状杂乱的零件,该技能已在航空航天、电子、汽车等工 业范畴得到广泛运用。

     激光切开技能广泛运用于金属和非金属资料的加工中,可大大削减加工工夫,下降加工本钱,进步工件质量。脉冲激光适用于金属资料,接连激光适用于非金属材 料,后者是激光切开技能的重要运用范畴。激光焊接技能具有溶池净化效应,能纯洁焊缝金属,适用于一样和异样金属资料间的焊接。激光焊接能量密度高,对高熔 点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接稀奇有利。激光焊接,用比切开金属时功率较小的激光束,使资料熔化而不使其汽化,在冷却后成为一块连 续的固体布局。

     激光打孔技能具有精度高、通用性强、功率高、本钱低和归纳技能经济效益明显等长处,已成为现代制作范畴的关键技能之一。在激光呈现之前,只能用硬度较大的 物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬度最大的金刚石上打孔,就成了极端艰难的事。激光呈现后,这一类的操作既快又安全。激光打标技能是激光加工最大的 运用范畴之一。

     激光打标是运用高能量密度的激光对工件进行局部照耀,使表层资料汽化或发作色彩改动的化学反应,然后留下永世性符号的一种打标办法。激光打标可以打出各种 文字、符号和图画等,字符巨细可以从毫米到微米量级,这对产物的防伪有稀奇的含义。全固体紫外波段激光打标是近年来开展起来的一项新技能,稀奇适用于金属 打标,可完结亚微米打标,已广泛用于微电子工业和生物工程。

     激光去重平衡技能是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重局部,使惯性轴与旋转轴重合,以到达动平衡的进程。激光去重平衡技能具有丈量和去重两大功用,可 还进行不平衡的丈量和校对,功率大大进步,在陀螺制作范畴有宽广的运用远景。关于高精度转子,激光动平衡可成倍进步平衡精度,其质量偏疼值的平衡精度可 达1%或千分之几微米。激光蚀刻技能比传统的化学蚀刻技能工艺简略、可大起伏下降出产本钱,可加工0.15~1微米宽的线,非常合适于超大规模集成电路的 制作。激光微调技能可对电阻进行主动精细微调,精度可达0.01%~0.002%,比传统加工办法的精度和功率高、本钱低。激光微调包罗薄膜电阻 (0.01~0.6微米厚)与厚膜电阻(20~50微米厚)的微调、电容的微谐和混合集成电路的微调。

     激光存储技能是运用激光来记载视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技能(例如CD、DVD光盘等),是信息化时代的支撑技能之一。

     激光划线技能是出产集成电路的关键技能,其划线细、精度高(线宽为15~25微米,槽深为5~200微米),加工速度快(可达200毫米/秒),成品率可达99.5%以上。

     激光清洗技能的选用可大大削减加工器材的微粒污染,进步精细器材的成品率。激光热、外表处置技能包罗:激光相变硬化技能、激光包覆技能、激光外表合金化技 术、激光退火技能、激光冲击硬化技能、激光强化电镀技能、激光上釉技能,这些技能对改动资料的机械功能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

     激光相变硬化(即激光淬火)是激光热处置中研讨最早、最多、开展最快、运用最广的一种新工艺, 适用于大多数资料和异样形状零件的异样部位,可进步零件的耐磨性和疲劳强度,国外一些工业部门将该技能作为包管产物质量的手法。激光相变硬化技能还可用于 对模具热处置,可大大进步模具的运用寿命,下降本钱、进步出产功率。此项技能对我国巨大的模具制作业技能晋升含义严重。激光包覆技能是在工业中取得广泛应 用的激光外表改性技能之一, 具有很好的经济性,可大大进步产物的抗腐蚀性。

     4.2、激光加工在微电子工业中的运用激光加工对错触摸的加工办法,高功率、无污染、高精度、热影响区小,因而在电子工业中,尤其是在微电子工业中得到了 非常广泛的运用。激光微调: 集成电路、传感器中的电阻是一层电阻薄膜,制作差错达±15—20%,只要对之进行批改才干进步那些高精度器材的成品率。激光可聚集成很小的光斑,能量集 中,加工时对附近的元件热影响极小,不发作污染,又易于用计算机操控,因而可以满意疾速微调电阻使之到达准确的预订值的意图。加工时将激光束聚集在电阻薄 膜上,将物质汽化。微调时首要对电阻进行丈量,把数据传送给计算机,计算机依据预先描绘好的修调办法指令光束定位器使激光按必定途径切开电阻,直至阻值达 到设定值,差错缩小到0.05%。其电阻的相同可以用激光批改片状电容的电容量,原理是把激光束聚集在电容的电极上,使之高温汽化而减小面积,直至电容量 减小到预订值。 美国ESI公司是国际上最大的激光微调机出产厂商,已向各大集成电路出产厂供给了几千台激光微调机。

     激光划片: 集成电路出产进程中,在一块基片上要制备上千个电路,在封装前要把它们切开成单个管芯。传统的办法是用金刚石砂轮切开,硅片外表因受机械力而发作辐射状裂 纹。激光划片把激光束聚集在硅片外表,发作高温使资料汽化而构成沟槽。经过调理脉冲堆叠量可准确操控刻槽深度,使硅片很简略沿沟槽规整断开,也可进行屡次 割划而直接切开。由于激光被聚集成极小的光斑,热影响区极小,切划50μm深的沟槽时,在沟槽边25μm的当地温升不会影响有源器材的功能。激光加工对错 触摸加工,硅片不会受机械力而发作裂纹。因而可以到达进步硅片运用率、成品率高和切开质量好的意图。用于激光划片的激光波长要易被资料吸收,具有足够高的 峰值功率,通常用声光调Q的Nd:YAG激光器。

     激光修补: 集成电路制作时,步进投影光刻机需求无缺点的掩模版,但是制作高集成度的电路掩模版不可避免地会呈现缺点。缺点有两种方法:一种对错通明资料上呈现针孔; 另一种是通明区呈现黑点。用激光修补掩模版时首要将掩模版的图形视频信号与CAD数据库中的数据进行比拟,断定缺点的品种与方位,激光修补体系承受这些信 息后,将激光聚集在剩余的铬点上,使之汽化,然后去除了黑点。对针孔缺点则使之处在有机铬气氛中,用激光照耀,使有机铬分化,铬堆积在针孔处,补上了针 孔。堆积的线条往往比原有线条宽,还要用激光进一步修整,使图形到达描绘恳求。运用激光掩模版修补技能后,使掩模版的质量和成品率都得到大起伏的进步。

     4.3、激光技能在汽车工业的运用安全性、舒适性、节能和环保一向作为国际汽车工业开展的主题,激光技能作为现代汽车出产中的首要加工办法之一,其开展也 首要是围绕着这一主题并连系本专业的自身特色进行的。汽车工业是激光加工运用最多的范畴之一。据有关资料计算,在欧美工业发达国家中,有50%~70%的 零部件都是选用激光加工来完结的。 尤其是近年来开展很快, 1998年全国际约有3000多台激光加工机用于汽车工业,并且每年还有数以百计的激光加工机投入运用。运用于汽车工业的检测、疾速成形的小功率激光器目 前也有数千台。在汽车工业中,激光加工通常以切开为主。激光束切开一般选用大功率射频CO2激光器(近年来有被德国IPG和加拿大伊斯沃激光打标机系列大 功率光纤激光器替代的趋势),为了进步切开速度和切开质量,在激光切开机的光束出口处一般都装有喷嘴,以便在切开进程中还喷吹气体。在切开金属工件往往 喷吹氧气或紧缩空气,以进步切开功率; 而在切开易燃资料时则喷吹氮气等惰性气体以避免焚烧。激光切开的切径宽度一般小于0.5mm(IPG的大功率光纤激光器可到达0.05mm)。它和工件的 资料及厚度、激光束的功率、焦距及焦点方位、激光束的直径、喷吹气体的压力及流量等各种因素有关。在汽车样车和小批量出产中很多运用三维激光束切开机,对 一般铝、不锈钢等薄板、带材的切开加工,运用激光高速切开速度已达10M/min,不只大起伏缩短了出产预备周期,并且使车间出产完结了柔性化,加工面积 减小了一半。由于它的加工功率高,比机械加工办法的加工费用削减了50%。若是每日开两班。折旧期可在2年左右完结。

     激光焊接在汽车工业中已成为规范工艺。激光用于车身面板的焊接可将异样厚度和具有异样外表涂镀层的金属板焊在一起,然后再进行冲压,这样制成的面板布局能 到达最合理的金属组合。选用激光焊接的速度约为4.5M/min,并且很少变形,省去了二次加工。激光焊接加快了用冲压零件替代铸造零件的进程。选用激光 焊接可以削减搭接宽度和一些加强部件,还可以紧缩车身布局件自身的体积。仅此一项车身的分量可削减56kg。激光焊接用于车顶外壳与结构焊接,传动转换器 盖板的焊接,由CNC操控,其循环工夫约为16秒,实践焊接工夫仅为3秒,一天可接连运转24小时。