（光学专业论文）塑料表面激光标刻和变色工艺的研究.pdf

q 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 加，6 夕， 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：哨虹日期诎川 j i ) 摘要 摘要 激光打标技术由于具有高速、商效、节能、环保等特点，已经在工业生产中 得到了广泛的应用，在塑料制品的加工领域也具有其独特优势。本论文对塑料表 面激光打标的结果从形貌和颜色两方面进行了研究。 本论文使用光源为二氧化碳激光和光纤激光的两种标刻系统，分别对a b s 、 p e 、p m m a 、p p 和p v c 五种材料七件样品进行了打标。首先确定打标图案为线 段，扫描方式为矢量扫描。将打标的诸多可变工艺参数归结为激光输出功率密度 的变化，并推导出根据可调节参数计算功率密度的方法。使用光学显微镜、扫描 电镜( s e m ) 和表面形貌仪，对打标结果的形貌进行了观察和测量，得到了打标 结果线宽度和功率密度之间的关系曲线。继而由线性拟合得到了打标线宽和功率 密度之间的函数关系。 本论文还研究了塑料在激光辐照后颜色变化的现象，发现其成因可归纳为三 种。功率密度较小时，塑料在生产过程中添加的着色剂等添加剂，会在激光辐照 后由于热作用发生分解或失效，导致塑料表现出颜色变浅。通过e d s 能谱分析 发现打标痕迹与原始材料的成分以及成分比例均无变化，可以认为材料内部只有 分子结构发生改变。当功率密度达到一定程度后，材料本身会发生高温下的化学 反应，在空气环境中表现为氧化甚至燃烧。此反应所残留在材料表面的生成物决 定了打标痕迹的颜色。当材料对于某中激光是完全或高度透明的，材料内部的杂 质对激光的吸收则可以导致微小区域的温度急剧升高，形成黑色的炭化斑点。通 过适当调节激光参数，可以实现对此类黑色斑点分布的控制，其最终效果与激光 打标一致。 关键词激光打标；彩色打标；塑料 北京工业大学理学硕二 j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rm 酞i n gt e c h l l i q u ei s 印p l i e d 研d e l yi ni n d u s t r yd u et oi t sh i g hs p e e d ， e m c i e n t ，e r l e 唱y 山ma i l de n v i r o 咖e n t a l 衔e n d l yf e a n l r e sa 1 1 do 1 si t s 疵q u e a d v a n t a g e si np l a s t i cp r o c e s s i n g t m st 1 1 e s i sm a k e s ar e s e a r c ho nt h eo u t c o m eo fl 弱e r m a r 妯n go np l a s t i cs u r f ：a c ei i lr e s p e c to fp r o f i l ea n dc o l o 啦 c 0 2l a s e ra n df i b e rl a s e rm a r 虹n gs y s t e m sw e r eu s e dt om a r k7s 锄p l e so f5 s o r t so f p l a s t i c ，i n c l u d i n ga b s ，p e ，p m m a ，p pa n dp v c al i n es e g m e n tw a s s e ta s t l l em 砌d n gp a t t e ma i l ds c 猢e dv e c t o r i a l l y m o s tv 撕a b l ep 锄e t e r so fm es y s t e m c o u l db ef o m l u l a t e da sv a r i a b l ep o 、v e rd e n s i t y ，a n dm ee q u a t i o ni sd e r i v e d w i t l lt 1 1 e o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c 锄l i i 培e l e c t r o m cm i c r o s c o p e ( s e m ) a n ds u r f i a c et o p o 伊印h y i n s t n 埘e n t ，m el a s e rm a r l d n go u t c o m e sw e r eo b s e r v e da n dm e a s l l r e d 觚l dc o r r e l a t i o n c u r 、，e sw e r eo b t a i n e d t h e r e f o r eam n c t i o n a jr e l a t i o nb e t 、； ，e e nl a s e ro u t p u tp o 、r d e n s i 够a n dt h em a r h n gl i n ew i d t hi sd e r i v e d m d u g hl i l l e a rf i t t i n go fe a c hc u r v e 1 k st h e s i sa l s os t u d i e s 廿l ea 】t e r a t i o no ft 1 1 em a t e r i a jc o l o u ra r e rm 础d n ga i l d c o n c l u d e si ti n t ot h r e ep r i n c i p l e s w i mal o w e rp o w e rd e n s i 劬t h ec o l o m ta n do m e r a d d i c t i v e sc o n t a i n e di n p l a s t i ca r ed e c o m p o s e da n dv i t i a t e d ，w 址c hr e s u l t si i lm e p a l e n e s so fm a t e r i a l t h ee n e 玛yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t 】m e t e r ( e d s ) 觚a l y s i s i n d i c a t e st h a t l eb a s i cc h e m i s t r ye l e m e n t sa n dt l l e i rp r o p o r t i o no ft h em a f ka r e i d e n t i c a lw i t ht l l e o r i g i n a lm a t e r i a l i tp r o v e s ：l eo i d yc h e m i c a lc h a n g ei sm e m o d i f i c a t i o no ft h em o l e c l l l e 证行嬲t m c t u r e a sm ep o w e rd e n s i t ) rr e a c h e sac e r t a i n e x t e n t ，t h em a t e r i a ji so x i d 娩e da c u t e l yo rc a t c h e sf i r ei i lt h el a s e rc a l e f k t i o nz o n e t h er e s i d u eo nt l l es u r f a c ed e t e n n i n e st 1 1 ec o l o u r o f 1 em 越【a s 也em a t e r i a li s c o m p l e t e l yo rh i g h l yt r a n s p a r e mt os o m el a s e r ，t h ef o r e i g ns u b s t a i l c ec o n t a j n e di i l 也e p l a s t i cm i g h ta b s o r bm ei a s e ra n dh e a ta 血c r oz o n ed r a m a t i c a l l ya l l dm a k et 1 1 ez o n e t r a n s f o 珊i n t oat i i l yb l a c ks p o t t h ed i s t r i b u t i o no fm eb l a c ks p o t sc a nb ec o n t r o l l e d t 0f o 肌am a f k j n gp a t t e ms i m i l a rt ot h eo r d i n a r yl a s e rm a r 虹n gb ya 由u s t i n gm e s y s t e mp a r 锄t e r s k 曼d 型q 巡墨： l a s e rm 狄i n g ；c o l o u rm a r k i i l g ；p l a s t i c 北京工业大学理学硕_ i 学位论文 i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t l 第1 章绪论1 1 1 激光打标技术一1 1 1 1 激光打标技术的优点- 1 1 1 2 激光打标方式的演变一2 1 2 塑料打标的意义- 4 1 3 国内外研究现状一5 1 4 本课题的主要研究内容一6 - 第2 章 调制脉冲式光纤激光在塑料表面打标一7 2 1 打标系统一7 2 1 1 光纤激光打标系统基本性能一7 2 1 2 扫描振镜系统一8 2 1 3 平场聚焦镜( f t h e t a 镜) - 9 2 1 4 控制系统一1 0 2 2 基于实验设备参数的功率密度计算一1 2 2 3 实验过程、现象与分析1 3 2 3 1 深灰色聚氯乙烯( p v c ) 板材打标一1 3 - 2 3 2 聚氯乙烯( p v c ) 透明片打标一1 7 2 3 2 乳白色a b s 工程塑料打标一2 1 2 3 3 黑色聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 打标一2 5 2 4 本章小结一3 0 一 第3 章连续二氧化碳激光在塑料表面打标一3 3 3 1 打标系统一3 3 3 2 功率密度计算一3 4 3 3无变色现象的五种塑料材料表面打标一3 5 3 - 3 1 半透明乳白色聚丙烯( p p ) 板材一3 5 3 1 3 2 半透明乳白色聚乙烯( p e ) 板材：- 一3 7 - 3 3 3a b s ，透明p m m a 和黑色p m m a 一3 9 3 3两种p v c 材料表面打标一4 2 3 4 本章小结一4 5 一 第4 章激光打标表面形貌和颜色变化的研究一4 7 4 1 表面形貌变化的机理一4 8 4 2 打标痕迹颜色变化的机理一5 4 4 3 本章小结一5 7 一 结论- 5 9 - 参考文献一6 1 一 攻读学位期间发表的学术论文一6 3 一 致谢一一6 5 北京工业大学理学硕一f ：学位论文 2 第l 章绪论 1 1 激光打标技术 第l 章绪论 激光技术的迅速发展使其已经涉及科学研究、工业、军事、医疗及日常生活 的方方面面，应用领域在不断扩大，几乎包括了国民经济的所有领域【。激光打 标也称为激光标刻技术，是激光加工技术重要的应用分支之一。它是利用激光对 工件进行局部照射，去除工件表层材料，暴露出深层物质，或通过光辐射导致材 料表层发生变化，从而留下具有视觉差异的标记的一种标刻方法。 1 1 1 激光打标技术的优点 ( 1 ) 应用广泛。由于激光器种类繁多，性能也日益提高，因此打标技术可 应用于越来越多类型的材料f 2 】。激光打标最大的市场还是以电子产品为主，超过 总数4 0 的激光打标系统都是针对或适用于电子产品的标刻的。另外在商业包 装、医疗卫生、汽车产业、航空航天产业中都有广泛的应用【3 】o 激光打标的市场 应用可以激光源的不同简单进行分类，如下表所示 表1 1激光打标市场的简单分类 1 a b l el 一1s i m p l yc l 嬲s i f i e dl a s e rm a r k i n gm a r k e t s 光源类型应用市场 电阻、电容、导线、电缆等 c 0 2 l a s e r 包装、容器、标签、封装标识等 f i b e rl a s e r集成芯片、键盘、开关、控制板等 &金属件、仪表板等 n d ：y a gl a s e r手术器械、容器、模具标识 e x c i m e rl a s e r电子元件、电子线缆，玻璃仪表等 ( 2 ) 对加工材料友好。激光标刻具有抗磨损、不褪色的优点。激光打标是 将激光束照射到加工物体的表面，用以去除或熔化材料以及改变物体表面从而达 到加工目的，属于非接触性加工，没有机械力，加工材料不变形，受损小。这一 点己成为激光技术区别与其他加工手段的明显优势。 北京t 业大学理学硕上学位论文 ( 3 ) 效率高。计算机控制下的激光光束可以高速移动，通常的打标过程均 可以在数秒内完成。一个标准计算机键盘的打标可以在1 2 秒内完成。激光打标 系统均配备计算机控制系统，可以与高速流水生产线灵活配合。 ( 4 ) 精度高。激光可以形成极细光束，在材料表面标刻的线宽可以达到微 米级，为精密加工和防伪开创出宽广的空间。不仅可以打印出复杂的图形、商标 设计、条形码、两维码，甚至可打印亲笔签字。任何显示在荧光屏上的二维图形 都可以马上打印在指定的材料表面。激光打标还可以提高产品外观形象和名牌效 应，增加产品的市场竞争能力。 ( 5 ) 开发快。由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程， 即可实现激光打标输出，并可随时变换打标设计，从根本上替代传统的模具制作 过程，为缩短产品升级换代周期及柔性生产提供了有力工具。 ( 6 ) 使用成本低。激光打标是非接触式打标，不受通常模具打标的疲劳使 用寿命的限制，无耗材、无易损件，因此在批量加工使用中的使用成本极低。 ( 7 ) 社会效益好。激光打标相对于化学腐蚀法，无污染【4 】；相对于机械式 打标，噪音小，是一种“绿色”加工手段，是对于传统打标方式最好的替代方式。 激光打标技术为优质，高效，无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的 前景。 1 1 2 激光打标方式的演变 激光打标系统可粗略分为两种类型：一种是激光束固定，工件运动( 简称定 光式) ；另一种是工件固定，激光束运动( 简称动光式) 。定光式激光打标机是采 用两维数控工作台拖动工件运动。它的最大优点是设备造价相对低廉。它的缺点 也是显而易见的：打标速度慢；很难对要求精细的文字和图案进行打标，更难对 复杂图形等有层次要求的内容进行打标；不易实现在线生产。目前定光式打标已 经很少见了。 动光式打标随着电子控制技术的进步而在近些年有了长足的进步。 动光式激光打标机按工作方式可分为掩模法、点阵法和扫描法三大类： ( 1 ) 掩模标记法 掩模标记法又叫做投影式标记法。如下图所示，在一块模板上，将待打的数 字、字符、条码、图像等雕空，做成掩模。将激光经过扩束镜，均匀地照在事先 做好的掩模板上，光从掩模板上雕空的部分通过。掩模上的图形通过透镜成像到 工件上，通常每个脉冲即可形成一个标记【5 】。被激光辐射的材料表面层迅速被加 热汽化或产生化学反应，发生颜色变化形成可分辨的清晰标记。掩模法打标主要 第l 章绪论 优点是最少至一个激光脉冲一次就能打出一个完整的、包括几种符号的标记，因 此打标速度快，对于大量生产的产品，可在生产线上直接打标，掩模法打标一般 采用准分子激光，打标系统如图1 1 所示： 图l l 激光掩模打标 f i g u r el - ll 蕊e rm 嬲km a r k i n g ( 2 ) 绘图仪式扫描 绘图仪式扫描是指，将绘图仪的控制部分用于激光设备上，在x 轴基点( 或 y 轴基点) 和原绘图笔的位置上分别安装4 5 0 折返镜，在绘图笔位置安装小型聚 焦镜，用以导通光路及使光束聚焦。目前市场上的同类型的大幅面设备基本上都 是模仿这种控制过程，用伺服电机驱动的高速大幅面系统，而随着变焦振镜式扫 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。这种模仿绘图 仪扫描的方式有着明显的缺陷：运行速度慢，而且还需要较多的空走来保证加工 位置的准确；精度不高，重复定位精度局限于机械控制部分的精度，误差有时非 常大。绘图仪式打标系统如图1 2 所示： 图1 - 2 绘图仪式激光打标 f i g u r el 一2l a s e rp l o n e rm a r k i n g ( 3 ) 振镜式标记法 振镜式标记法是将激光束入射到两反射镜( 振镜) 上，利用计算机控制扫描 反射镜，这两个反射镜可分别沿x y 轴扫描，在确定的面上打出数字、文字、 图形，原理如图1 3 所示，聚焦系统可分为先聚焦，经反射镜射到工件上；或光 北京工业大学理学硕一l 学位论文 束先经过反射镜，然后再经过聚焦镜打到工件上，标记面积可大可小，可同时标 记几个小零件，也可以对一个零件标记出多种文字和图案。简言之，扫描法就是 利用激光这支“光笔”在需要加工的工件上进行刻写。 振镜式激光打标机的优点是：打标速度快、打标精细，可以处理各种要求精 细的文字、图案的打标，甚至可以对照片进行打标。这种打标机的适应性很广， 己经成为打标机的主流，代表了激光打际的发展方向，是目前国内外普遍采用的 一种打标方式。 1 2 塑料打标的意义 塑料按a s t m 的定义为“本质性的组成分子，能利用流动过程而最终形成 固体状态的有机高分子物质”，也称作合成树脂、高分子聚合物等。塑料作为一 种化学性质稳定、质量轻、耐腐蚀的材料，已被广泛应用于生产生活的各个领域。 尤其是在轻工业中使用更为普遍。包装至今仍是塑料制品应用中的最大领域，其 发展仍大大超过其他传统包装材料。近几年统计塑料包装材料总产量约占包装材 料总产量的3 0 到5 0 。化学建材是继钢材、木材、水泥之后新兴的第4 代新 型建筑材料。塑料建材是化学建材的主要组成部分，主要包括塑料管、塑料门窗、 防水保温材料、装饰装修材料等，塑料建材在建筑工程、市政建设以及工业建设 中用途十广泛。随着医疗技术和人民生活水平的提高，塑料人体器官、塑料医疗 器具等作为高新材料领域重要塑料制品的生产和使用范围也将大幅提高。日用塑 料制品涉及面更广，与人类生活的关系十分密切，因其花色种类繁多、轻捷方便、 卫生舒适等优点，在越来越多的领域代替了传统的铁、木、竹、藤等传统材料。 塑料的涂装工艺复杂，而且常常伴随严重的环境污染问题。在加工前通常需 要前处理，另外还会在加工完成后发生颜色不均匀、掉漆掉色、慢干和返黏等现 象。在医用、食品包装、玩具和日常用品中，传统的塑料涂饰和改性技术通常会 因为化学添加剂的使用和经过的化学反应产生许多有毒有害物质残存在材料上， 对塑料制品的安全性产生不利的影响，限制了使用范围，而这是激光打标技术不 会存在的问题。由于激光在加工速度和灵活性和上的优势，非常适用于在塑料表 面进行打标，而且无需制模，生成的图案清晰美观，耐久性好。 塑料制品大多不容易自然降解，因此回收再利用是塑料产业的一大课题。许 多塑料废品由于无法修复或继续使用而被废弃，增添了人类的能源压力1 6 j 。激光 打标开拓了新的思路，可以对塑料表面图案进行修复，也可以对再生后的塑料制 品进行再加工，制成有价值的艺术品和工业制品。 塑料根据受热后的性质不同可分为热塑性塑料和热固性塑料。根据名种塑料 第1 章绪论 不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。 ( 1 ) 通用塑料 一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品 种，即聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 、聚氯乙烯( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 及a b s 树脂。它们都是热塑性塑料。 ( 2 ) 工程塑料 一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸 稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。 在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。 通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、 超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。 特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有：聚氨基双马来酰胺、 聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型的有：聚砜、聚醚砜、聚苯 硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮( p e e k ) 等。 ( 3 ) 特种塑料 一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑 料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高 强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。 本课题将主要侧重于通用塑料中的聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ，有机玻璃或 亚克力) 、聚氯乙烯( p v c ) 、聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 、a b s 树脂等材料的 激光打标工艺的研究。 1 3国内外研究现状 近年来，激光打标方面的研究渐渐兴起，在金属表面进行激光彩色打标的实 验与研究较为多见。通常利用改变辐照在金属表面的激光的能量密度，控制激光 对材料的热输入，从而控制生成的氧化膜或氮化膜的厚度【7 j 。不同厚度的氧化膜 或氮化膜所形成的光学干涉现象也不同，因此可以呈现不同的颜色瞵以，即实现 彩色打标。已经有使用n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 以及光纤激光器在金属上打出彩色 标记的报道【u 】。另外，氧化膜本身或激光扫描区域产生的颗粒结构也可能呈现某 种颜色【1 2 l 。在玻璃上利用三倍频激光器进行打标，也可以产生彩色的效果【l 引， 这是由于多价离子的氧化和光化学物理过程所导致。玻璃的掺杂成分和含量对彩 色打标的效果影响极大【1 4 1 。另外，将塑料浸泡在染色溶液中，将溶液暴露在激 光辐照下，光束焦点处的塑料被染色【l5 1 。化学气相沉积也是彩色打标的机理之 北京t 业大学理学硕- j ：学位论文 一，使用氩离子激光器对染料进行照射，可以在玻璃或陶瓷衬底上获得彩色图案 【1 6 - 1 7 】。激光打标和打孔技术也已应用于太阳能电池板的制备中【1 8 】。 随着激光器制造和研发技术的进步，更多种类的激光器被生产出来。其中紫 外激光器对激光打标的机理和效果影响甚大。传统的激光打标是由于在材料表面 热的作用致使材料发生变化【例，紫外激光，如准分子激光器在打标时的机理就 不尽相同。有时是热作用和光分解作用共同作用f 2 0 l 。由于准分子激光器的波长 非常短，光子能量极大，因此在照射到材料表面，会直接破坏材料的分子键【2 ， 可以在不改变材料表面光洁度和平整度的情况下改变材料的颜色甚至导电性等 其它性能拉引。对于打标结果的分析主要集中在打标痕迹的宽度上，也有较少对 标刻痕迹对比度进行研究的【2 3 1 。塑料的激光加工也逐渐兴起，尤其在焊接和改 性方面的研究较多i z 引。国际上对不同的高分子材料，如有机玻璃( p m m a ) 、聚 酞亚胺( p 1 ) 、聚碳酸酯( p o l y c a r b o n a t e ) 、尼龙( n y l o n ) 、聚四氟乙烯( p t f e ) 和聚硅烷( p o l y s i l a j l e ) 等材料的紫外激光剥蚀已做了很多研究，但对于光纤激 光和二氧化碳激光在塑料表面的标刻研究相对较少。 1 4 本课题的主要研究内容 激光打标技术是利用激光光斑的移动在材料表面生成可识别的痕迹，无论激 光是以连续或是脉冲方式输出，其结果都是产生连续或间断的直线或曲线，这些 线条最终组成了完整的打标图案，因此标刻线条的特征对于打标的效果有直接和 重要的影响。线条的宽度和颜色决定了打标图案的细致程度和色彩表现。本文主 要从这两个方面对打标线条进行了研究，同时也关注了线条的凹陷和凸起形貌。 由于激光打标系统的可变参数众多，为了使研究结果更有意义，本文将诸多 可变参数的变化归结为在材料表面处的激光功率密度的变化，并建立了其与标刻 线条特征的联系。通过对标刻结果的拟合，得到了多种材料对应不同激光类型的 功率密度与线宽度的关系方程。对于不同功率密度下线条表现出不同颜色的机理 进行了试探性的分析。 第2 章调制脉冲式光纤激光在塑料表面打标 第2 章调制脉冲式光纤激光在塑料表面打标 2 1打标系统 2 1 1光纤激光打标系统基本性能 本章采用了i p g 公司的2 0 w 脉冲光纤激光器。此光纤激光器采用多模泵浦 光与具有单模纤芯的双包层光纤的耦合技术，具有体积小、光束质量好、工作寿 命长、电光转换效率高、无需水冷、容易维护等优点。 光纤打标系统的基本结构如图2 1 所示： 图2 一i 光纤激光打标系统 f i g u r 2 1f i b e r l 簦e rm a r k i n gs y s t e m 光纤激光打标系统由计算机、激光器( f i b e rl a l s e r ) 、扫描振镜 ( g a l v a n o m e t e r ) 、平场聚焦镜( f t h e t al e n s ) 、控制卡( l a s e r 嘶v e r g a l v a n o m e t e r “v e r ) 、控制软件等主要部分构成。打标系统的控制部分采用开放式体系结构， 计算机主要完成人机交互、图形绘制、编辑、文件管理、系统设置等非实时性的 功能，而控制驱动部分则根据计算机给出的指令完成振镜及激光器的实时性控制 功能，即振镜控制器按照计算机指令调整和优化x 方向和y 方向振镜的运动， 同时控制激光器向振镜发出光束，光束经过场镜聚焦然后到达需要标刻的工件上 的指定位置。扫描振镜和激光源的控制部分是整合在打标机内部的。打标机和计 算机通过u s b 接口通信。打标机整体以金属封闭，并且安全接地，这样可以屏 蔽外界电磁信号对控制器和扫描振镜头的干扰。在光路中设置有特殊光隔离器以 北京t 业大学理学硕：i = 学位论文 防止对高反射材料打标时反射光线通过透镜回到激光器内部，以此保护激光器。 打标机使用风扇向外部排风，进行冷却。 本2 0 w 脉冲光纤激光打标系统的基本性能参数如表2 1 所示： 表2 12 0 w 脉冲光纤激光打标系统基奉参数 t a b l e2 - 1b a s i cp a r a m e t e r so f2 0 wp u l s ef i b e rl a s e rm a r k i n gs y s t e m 中心波长1 0 6 0 姗脉冲时长逻辑范围内 连续可调 m 2 因子5 1 6光斑尺寸 聚焦后2 0 斗m 输出功率 0 0 2 - 2 0 w扫描速度1 - 2 0 0 0 0 m m s 连续可调连续可调 脉冲频率 2 0 k 一8 0 k h z 场镜中心焦距 1 8 3 m m 连续可调 输出模式t e m o o扫描范围 11 0 m m 1 1 0 m m 2 1 2 扫描振镜系统 在激光打标系统中振镜是负责扫描的运动单元。振镜利用快速改变光线传播 的方向来实现扫描。振镜的扫描方式与其它的扫描方式相比，结构紧凑、扫描速 度快、扫描角度大、扫描精度高【2 5 】。振镜电路通常采用高精度的闭环伺服控制 电路。本章实验中采用德国生产的s c 砌a b 振镜。 扫描振镜系统的硬件部分由两部分组成，一部分是驱动振镜偏转的驱动电 路，另一部分是控制驱动电路精度的伺服电路。伺服控制信号取自与振镜连在一 起的位置传感器。附有位置传感器的振镜在受闭环控制电路驱动时可以获得很高 的角度偏转位置精度。 振镜的优劣体现在它的速度和稳定性方面，同时这也是一对互相影响的因 素。小角度响应时间体现振镜速度快慢的主要因素。振镜的稳定性对扫描的精度 有直接影响。与此相关的参数有线性、零点漂移、重复性、漂移增益等。振镜的 运动是与激光器出光配合最后实现打标的，激光必须在振镜扫描到相应位置后才 能开始出光，所以激光器的脉冲间隔时间必须要小于振镜在相邻点的扫描间隔时 间，否则会出现空打，对于连续出光的激光器则不存在此问题。 振镜的运动与激光的开关光配合也遵循一定的规律。在加工时要考虑到不同 材料在加工起始点处的“穿孔 ( p i e r c i i l g ) 过程所需的能量叠加，才能保证接下 来的光点运动可以对材料进行有效标刻；在扫描的转折和结束点处也可能出现脉 第2 章调制脉冲式光纤激光在塑 ： 表面打标 冲堆积或缺失，引起标刻效果偏离预期，出现过烧或不足。因此在控制软件中设 置匹配的正延时或负延时是有必要的。 2 1 3 平场聚焦镜( f t h e t a 镜) 激光器发出的光束首先经过望远镜系统进行扩束和准直【2 6 1 ，这样的目的是 为了得到更好的聚焦效果，同时降低功率密度，保护光路上的器件安全。在经过 扫描振镜后再通过平场聚焦镜( f t h e t a 镜) 聚焦，重新得到小尺寸的光斑。一 般的透镜的焦平面为曲面，而激光打标的工作面一般为平面。这样透镜的焦平面 不能和打标平面完全重合，导致激光光斑在加工平面的中心和边缘尺寸相差很 大，不能维持恒定的功率密度，这样则导致标刻过程的不可控。而平面场镜的焦 平面为平面，在不同方向上平面场镜的焦距不同，这样的透镜性质保证了激光在 到达工作平面上不同位置上的光斑尺寸的恒定。 扫描振镜与聚焦镜的布置方式有前聚焦和后聚焦两种。前聚焦方式是指激光 束在聚焦后通过振镜反射，后聚焦方式是指激光束在经过振镜反射之后再聚焦。 由于在平面扫描过程中，工件平面到聚焦镜的距离不断地发生变化，所以如果聚 焦镜焦距固定不变的话，是很难在工件平面上刻出均匀的标记的。所以在平面标 记过程中要求动态聚焦，即根据偏转角度去更改聚焦的焦距。前聚焦方式通常在 振镜扫描前加入一个长焦距的动态聚焦装置，这个动态聚焦装置就是为了前面所 述的变焦需求而产生的，标记过程中激光器输出的光斑通过动态聚焦镜聚焦，激 光的聚焦点动态变化，通过合理的控制最终可以满足平面标记的要求。这种方式 虽然聚焦效果好、速度快，但是成本太高，且控制软件比较复杂，因此只在大幅 面高速扫描中用到。 本章中用到的扫描振镜是后聚焦方式的扫描振镜。即激光束先经过两面反射 镜片，再通过聚焦镜( f t h e t al e n s ) 汇聚到焦平面上。扫描振镜与平场聚焦镜 的位置关系如图2 2 所示： 北京工业大学理学硕一 ：学位论文 l ：， ：1 、 一妙j ， 孑：i ：j 。5 ：7 0 。! j 。f 图2 2 扫描振镜与平场聚焦镜的位置关系 f i g u r e2 2t h ea m n g e m e n to fg a l v a n o m e t e ra n df t h e t al e n s 2 1 4 控制系统 对于激光器和扫描振镜的配合需要适当的软件程序来实现。 本系统采用的是s 啪“曲t 激光打标控制软件。它支持b m p 图像格式、p l t 图形格式、所有的w i n d o w s 的t m et y p e 字体字符串、多种条形码、环状字符串 以及一些可调用简单图形等各种内容的打标。因此对一些比较简单的几何图形、 文字可直接在软件中绘制并实现打标。而对于一些比较复杂的图形、文字则选择 适合s 锄“曲t 和具有较好打标品质的基础性图形设计软件来设计图形、文字如 c o r e ld r a w 、a u t o c a d 、p h o t o s h o p 等软件。 s 锄l i g h t 软件在振镜和激光的综合控制方面具有比较丰富的功能，其中比 较重要的有：在允许的范围内，对于输出功率、脉冲重复频率、脉冲时长、扫描 速度可以进行连续调节；可以设置开激光正负延时。对于每个扫描段的起点都有 效，实现对材料表面的先破坏再标刻过程，因此激光与振镜的延时配合尤为重要 【2 7 j 。开激光延时是指对于激光器出光开始后，扫描振镜动作的延时。若开激光 延时过小，则激光器刚出光扫描振镜就已经开始运动，这样的情况下，材料表面 扫描起始点处缺乏有效的预热。一般情况下，除非材料对激光的吸收率非常大， 或者加工能量相对非常大，否则会因为没有穿孔效应而导致标刻痕迹开始部分不 能迅速达到破坏阈值，从而产生线段的不连续或与标刻其他部分不同的表面形 貌，可能会出现的情况如图2 3 中a 所示情形。 开激光延时过大与上述情况恰恰相反，由于激光器已经出光，而扫描振镜未 能及时开始运动，导致光点滞留在起始点位置时间过长，从而导致过烧，出现明 第2 荦调制脉冲式光纤激光存塑料表面打标 显的破坏点或明显的热影响区域，会出现的情况如图2 3 中b 所示情形。 开激光延时设置为负值表示在激光器出光之前，扫描振镜先开始在预期标刻 起点以外空走一段。开激光负延时是在对吸收率很大的材料进行打标，或者需要 轻微标刻但激光器功率不能降低至某一水平的情况下使用。负延时可以将热影响 区留在标刻位置以外，也可以得到无明显特征的平滑的起始点。开激光负延时时 长过短或零延时不会对标刻效果起到负面影响，负延时过长则会在起始点之外标 刻出痕迹，可能会影响打标效果。可能会出现的情况如图2 3 中c 所示情形。 但在对吸收率很大的材料进行打标时，适当的开激光负延时或较小的正延时 可以避免起始点脉冲堆积，同时起到预热的作用，可实现最精确最完整的打标效 果。因此这是一个对于经验积累和理论理解要求都比较严格和细致的参数。 由于扫描振镜是高速运动的，同时激光器输出的是激光脉冲，所以在脉冲重 复频率相对于扫描速度较低的时候，在同一微小区域内，会出现脉冲并未叠加或 者首尾相连的情况。如果激光脉冲所造成的热影响区域在这一微小区域也未能较 为紧密的连结起来，则可能出现标刻痕迹的断点。在扫描折线的时候，若此情形 发生在转折点位置附近，即出现标刻痕迹中折点圆滑、不清晰或者无折点的情况， 严重影响打标的最终效果。此种情形如图2 3 中d 所示： 弋 预期的起始点 a 开激光延时过小 个 转折不清晰 d 转折延时过小 b 开激光延时过大c 开激光负延时过大 乡一 个 转折过烧 e 转折延时过大 图2 - 3 延时对打标效果的影响 f i g u r e2 3t h ei n f l u e n c eo fs c 籼e rd e l a yo nm a r k i n g e 丘e c t 由此可见设置适当的转折延时，即令扫描振镜在转折点处做一定时长的停 顿，这样可以确保在转折处有足够的激光脉冲联接或者叠加，使得转折清晰可辨。 但同时值得注意的是，转折延时也会有不足和过大的情况。转折延时不足不会改 善转折断点情况，或仅仅略有改变但仍不满足标刻要求。如图2 3 中e 所示，转 北京丁业大学理学硕一 ：学位论文 折延时过大带来的后果比较严重，即在转折处有过多的脉冲堆积，引起能量输入 过大，产生明显的转折点过烧，此种情形是应当避免的 需要用点阵式扫描加工的位图，以及矢量扫描的填充部分都要进行区域扫 描。就整幅图来说，可分为全区域逐行扫描和分区扫描。全区域逐行扫描是最简 单的一种扫描方式，即系统从图形一端点开始逐行扫描至对角线方向另一端点， 完成整幅图的扫描。分块扫描是指，系统识别出图形的主要填充块，完成一个小 区域后进行另一区域的扫描。 至于扫描的具体路径有很多种。点阵式扫描以及填充扫描时会用到的主要的 路径有单行扫描和首尾相连扫描。两种路径如图2 4 所示： r - _ x j t = 享三要善； y = 三j 三= = = 石一 图2 _ 4 扫描路径类型 f i g u r e 2 _ 4t h e t y p e so fs c a n n i n gp a t h 2 2 基于实验设备参数的功率密度计算 由于激光器的脉冲输出特性，经过扫描振镜和平场聚焦镜后，落在打标材料 表面上的是由脉冲光斑划出的线段。令激光器平均输出功率为p ，脉冲时长为t ， 光斑直径为d ，重复频率为f ，扫描速度为v ，则作用在焦平面上的激光平均功率 密度为d p ，可得到 。，= 詈= 酱 ( 2 1 ) p 其中厂为单脉冲功率；由于振镜扫描速度很快，激光脉冲在材料表面划过 的痕迹可以近似为矩形，因此咖f 表示激光脉冲划过的痕迹的面积。由于激光光 ，i y 第2 章调制脉冲式光纤激光在塑料表面打标 斑是高斯分布，光斑尺寸是光强度下降为最大光强1 e 2 处的尺寸，其对应输出总 功率8 6 的范围，因此应当乘以因子o 8 6 。 2 3 实验过程、现象与分析 2 3 1深灰色聚氯乙烯( p v c ) 板材打标 聚氯乙烯( p o i y v i i l y lc h l o r i d e ) 或称p v c ，其物理化学性质稳定，不易被酸、 碱腐蚀。聚氯乙烯具有阻燃、耐化学药品性高( 耐浓盐酸、浓度为9 0 的硫酸、 浓度为6 0 的硝酸和浓度2 0 的氢氧化钠) 、机械强度及电绝缘性良好的优点。 硬质聚氯乙烯可以单独用做结构材料，应用于化工上制造管道、板材及注塑制品。 聚氯乙烯在加压下1 5 0 开始流动，并开始缓慢放出氯化氢气体，致使聚氯乙烯 变色( 由黄变红、棕、甚至于黑色) 。聚氯乙烯的燃烧分为两步，聚氯乙烯从1 3 0 开始就已经分解出氯化氢气体和含有双键的二烯烃，然后在4 0 0 - 4 7 0 发生碳的 燃烧。工业聚氯乙烯相对分子质量在5 至1 2 万范围。聚氯乙烯的有氧降解机理 尚不统一【2 8 】。 本实验样品为深灰色聚氯乙烯板材。由于样品为有色材料且熔点和燃烧点较 低，为避免输入能量过大，输入速度过快，所以使用较高的脉冲重复频率和较短 的脉冲时长，且令扫描速度为唯一变量。实验中选取的加工参数如表2 2 所示： 表2 2光纤激光在灰色p v c 板打标的加工参数 1 a b l e2 2p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ff i b e ri 雒e rm a r k i n go ng r a yp v cb o a r d 输出功率脉冲重复频率脉冲时长光斑尺寸 1 0 w8 0 k h z 2 5 飚2 0 “m 在此参数下，材料加工表面置于平场聚焦镜焦平面上，所受到的激光功率密 度可以计算得到： q _ o 8 6 ( 争m _ 0 8 6 ( 鼎) 2 0 1 。5 l n = 半( w 膳) ( 2 - 2 ) 通过计算得出扫描速度与功率密度值的对应关系，并且利用光学显微镜测得 了扫描痕迹的宽度，数据整理后如下表所示： 北京工业大学理学硕十学位论文 表2 3光纤激光在灰色p v c 板打标的功率密度和线宽度 r a b l e2 - 3p o w e rd e n s i t ya n dm a r k i n gl i n ew i d t ho f 行b e rl a s e rm a r k i n go ng r a yp v cb o l r d 扫描速度功率密度线宽度扫描速度功率密度线宽度 ， 1 0 6 w m 2 ( “m )( m m s ) 1 0 0 、w m ( p m )( m m s ) 2 0 0 0 1 0 7 54 0 05 3 7 5 1 2 0 18 0 0 1 1 9 43 0 07 1 6 71 6 0 1 6 0 01 3 4 4 2 5 08 6 0 0 1 7 0 1 4 0 01 5 3 62 0 0l o 7 5 01 5 0 1 2 0 01 7 9 21 5 01 4 3 3 32 5 0 1 0 0 02 1 5 01 0 02 1 5 0 02 8 0 8 0 02 6 8 88 02 6 8 7 53 3 0 7 0 0 3 0 7 l6 03 5 8 3 34 0 0 6 0 03