（精密仪器及机械专业论文）激光模切技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 当前国内包装行业大都采用传统机械模切技术，各种纸制包装在印刷后需用 木质镶刀模切版在模切机上完成模切工序，其中模切版的制造工艺复杂，且成型 后修改困难，在制作品种多、数量少的样品盒时尤为不便。 针对这种情况，本文提出了一种新型的激光模切技术，根据计算机内包装纸 盒展开图样，由激光束直接加工材料表面完成模切压痕效果，用激光的非接触式 加工代替了传统的机械式加工，不再需要木质镶刀模切版，方便而快捷，且降低 了生产成本，在很大程度上克服了原有技术上的缺点，尤其适用于轻薄、异形纸 盒的加工。 论文首先阐述了激光模切技术的基本概念和作用原理，并结合传统模切技术 的工艺流程和现存缺点对二者进行了比较分析，指出采用激光模切技术的优越 性；然后针对激光模切技术及其在组件选择和控制技术方面进行了详细的理论研 究；结合理论分析结果，本文设计了激光模切系统，选用射频c 0 2 激光器作为加 工光源，该激光器光束质量好，连续运转寿命长，且可以真正实现连续和脉冲方 式的转换，便于调整输出功率；采用振镜式扫描系统，大幅度提高了加工速度， 并且引入f 0 透镜作为误差修正聚焦元件；为了完成大量的存储运算，系统还选 用了基于d s p 的通用激光控制卡r t c 3 卡和计算机并行运行；此外，本论文提出 了通过改变扫描速度或激光平均功率这两种方案来完成一次性模切压痕加工；软 件系统在v c 6 0 环境下进行编写，设计友好，通用性强；最后对整机系统测试情 况进行了总结，通过实验分析和优化处理选择最优参数进行模切试加工，模切样 品与实际要求相符，验证了激光模切系统的可行性。整机运行良好，为该系统在 现场的实际运行做了充分的前期准备工作。 关键词：模切版；激光模切系统；模切；压痕；射频c 0 2 激光器；振镜式扫描系 统；f 0 透镜 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld i e - c u r i n gt e c h n o l o g yi su s e di np a c k i n g i n d u s t r yi nc h i n a w o o d e nc u r e r - i n s e r t e dd i e - b o a r di su s e dt op r o c e s sp a p e r - b a s e d p a c k a g i n gm a t e r i a l si nd i e - c u t t i n gm a c h i n e t h ed i e b o a r d sa r e d i f f i c u l tt op r o d u c e a n dm o d i f y , s ot h et r a d i t i o n a ld i e - c u t t i n gt e c h n o l o g ys h o w sm u c hm o r ed i s a d v a n t a g e s f o rc a r t o n sw i t hg r e a tv a r i e t i e sa n ds m a l lq u a n t i t i e s t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，an e wm e t h o do fl a s e rd i e - c u r i n gt e c h n o l o g yi s d e v e l o p e di n t h i st h e s i s u s i n gl a s e rt op r o c e s st h es u r f a c eo ft h eb u l kp a c k a g i n g m a t e r i a l sa c c o r d i n gt ot h ee x p a n d i n gp a t t e r no ft h ep a c k a g i n gc a r t o ni nt h ec o m p u t e r , d i e - c u t t i n g a n d c r e a s i n gp r o c e s s a r e c a p a b l e o fc o m p l e t i n g s i m u l t a n e o u s l y n o n - c o n t a c tp r o c e s so fl a s e rr e p l a c e st h et r a d i t i o n a lc o n t a c tm e c h a n i c a lp r o c e s s ，a n d t h e r e sn on e e df o rt h ed i e b o a r di n d u c i n gl o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，h i g h e rs p e e da n d m o r ec o n v e n i e n c e t h i sn e wd i e - c u r i n gt e c h n o l o g yo v e r c o m e sm a n yd i s a d v a n t a g e s e x i s t i n gi nt h et r a d i t i o n a lo n e si nm a n ya s p e c t s ，e s p e c i a l l yf o rp r o d u c i n gl i g h t , t h i n a n da n o m a l o u sc a r t o n s f i r s to fa l l ，t h eb a s i cc o n c e p ta n dp r o c e s sp r i n c i p l eo fl a s e rd i e c u t t i n g t e c h n o l o g ya r ee x p o u n d e d b yc o m p a r i n gw i t h t h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y , t h e s u p e r i o r i t yo ft h en e wo n ei sp u tf o r w a r d a f t e r w a r d s ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sm a d e f u r t h e ri nt h el a s e rd i e - c u t t i n gt e c h n o l o g y , c o m p o n e n ts e l e c t i o na n dc o n t r o l t e c h n o l o g y b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s ，r fc 0 2l a s e ri ss e l e c t e da st h e p r o c e s s i n gl a m p h o u s ef o ri t so u t s t a n d i n gb e a mq u a l i t y , l o n go p e r a t i n gl i f e t i m e ，a n d s i m p l ew a yf o rw o r k i n gm o d ec o n v e r s i o nf r o mc w t og a t e dc wm e e t i n gt h en e e d s f o rl a s e rp o w e rc h a n g i n g g a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e mi sa d o p t e dt oi m p r o v et h e p r o c e s ss p e e d ，a n df - 0l e n si ss e l e c t e da sf o c u sc o m p o n e n tf o ri m a g e - f i e l dc o r r e c t i o n t oc o m p l e t et h el a r g ea m o u n to fs t o r a g ea n dc a l c u l a t i o n ，t h er t c 3c a r db a s e do n d s pi sa d o p t e di nt h i ss y s t e mf o rp a r a l l e lr u n n i n gw i t ht h ec o m p u t e r b e s i d e s ，t h i s t h e s i sp u t sf o r w a r dt w om e t h o d so fc h a n g i n gs c a n n i n gs p e e do rl a s e rp o w e rt o c o m p l e t ed i e - c u r i n gp r o c e s s t h es o f t w a r ed e s i g n e di nt h ee n v i r o n m e n to fv c6 0 h a sp o l i t ei n t e r f a c ea n ds t r o n gg e n e r a la v a i l a b i l i t y b a s e do nt e s tr e s u l t s ，o p t i m u m p a r a m e t e r sa r es e l e c t e df o rd i e - c u r i n ge x p e r i m e n t s d i e c u r i n gs a m p l e sm a t c hu p w i t ht h er e q u e s t e d ，v e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h el a s e rd i e - c u t t i n gs y s t e m t h ew h o l e s y s t e mr u n ss m o o t h l yi nl a b ，m a k i n g ag o o dp r e p a r a t i o nw o r kf o r p r a c t i c a l p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：d i e - b o a r d ，l a s e rd i e - c u r i n gs y s t e m ，d i e c u r i n g ，c r e a s i n g ，r fc 0 2l a s e r , g a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e m ，f - 0l e n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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。 学位论文作者签名：闸t 1 名签字日期：刀刃年 ，月7 少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：闭l l 楹 导师签名： 签字日期：为刁年，月砂日 签字日期：唧年月 瑁 第一章激光模切技术概述 第一章激光模切技术概述 11 传统横切技术及其工艺流程 随着社会发展和人民生活水平的提高，消费者在选购商品时，除了看重商品 的内在质量外，对商品的外部包装也提出了较高的要求，这其中包括对商品包装 装潢的设计和对包装印刷后加工质量的要求【1 i 。模切压痕是印刷后加工的一项重 要工艺，其质量的好坏直接影响整个产品的市场形象。因此掌握传统的模切技术 和对新的横切技术的研发，可以有效增强包装行业的竞争能力。 模切压痕技术是按模型压瘦和按模版压切 两种加工技术的综合统称其原理是在定型的 模具之内，通过施加压力使纸张受力部位产 生压缩变形( 压痕) 或断裂分离( 模切) 1 2 1 0 模切压痕设备的主要帆件是模切版台和压切机 构，被加工材料就处在这两者之间，在压力的 作用下完成加工。模切版有不同的类型和相对 应的压切机构，模切机分为平压平型，圆压平 型和圆压圆型三种基本类型”j 。图l 一1 所示即为 传统的模切机实物图。 同 图l i 传统模切机实物圈 模切压痕的主要工艺流程为：产品设计_ 模切刀具加工- 捧版一装版、垫版 _ 模切压痕_ 整理- + 成品。下面我们对其分别进行概要介绍。 第一，进行产品设计。精确计算包装盎展开图样的各个尺寸规格，据此进行 产品设计，设计时为了后续工作的方便，要注意线条转弯处尽量采用圆角，防止 出现尖角，这样有利于排版；同时需要避免多个相邻窄边连接，这样便于清废”。 图l 一2 模切刀两侧贴擞皮条实物圈 第二，对刀具的选择和加工。 模切用的刀具称之为模切刀，压痕 用的刀具称之为压痕线，选择时除 r 要保证模切压痕刀具的刃口部分 有一定的硬度之外，刀具体还需要 有韧性，可以弯成任何复杂形状， 以适应模切压痕产品形状复杂的需 要i ”。根据产品的要求，选择不同 硬度和形状的刀具用弯刀机等设备把刀具弯成需要的形状。 第三，排版。将加工好的刀具用制版锤敲打嵌入至开好槽的模版，做成模切 第一章激光模切技术概述 压痕版。一般底版多采用胶合板，制版过程中，还要开连接点。连接点就是在 模切刀刃r 7 部开出一定宽度的小口，模切过程中，使废边在模切后仍有局部连接 在整个印张上不散开，便于走纸m 。排版可以采取多种方式，包括手工排版，机 械排版，激光排版以及高压水喷射切割排版。 第四，装版、垫板。模切压痕 版排好后，装入版框进行周定。在 模切刀两侧版基上需贴橡皮条。这 样利用橡皮条的弹性作用，可将模 切的材料从刀r 7 间推出，避免钢刀 模自， 被嵌牢而影响操作，如图i - 2 所示。 垫版是在模切压痕版下面垫上一层 圈l o 校切版示意图 或数层纸板，使得钢刀或钢线高度一致，压力均匀。再将模切版装入模切压痕机， 即可进行加工i 。 第五，铺压痕模。将模切压痕版固定在平形底版上，还要在压印平版上铺压 痕横，以保证压痕清晰，容易成型。图1 - 3 和1 - 4 分别为模切版示意图和实物图。 圈1 - 4 模切版实物圈 第六，模切压痕。模切版装 入模切机后，即可进行模切压痕 加工。将准备好的需要模切压痕 的纸板装入输纸台，首先进行试 压，若试样局部无法切断时，就 要在局部范围内进行垫版，经检 查合格后，再进行正式生产。生 产中随时检查产品质量，发现问 题及时处理i i “。 由上可见，模切压痕工艺尤 其是模切版的制作过程非常复 杂，耗时耗力| 8 】。此外当刀具磨 损后还需要修复，更是大大增加 了模切成本，在针对品种多、数量少的样品纸盒时，制作模切版十分不便嘲， 当需要制作异形包装纸盒时，其中一些复杂曲线的制作非常困难，有些甚至无法 完成。因此，传统的模切技术所存在的固有的缺点直接影响了整个包装产品的制 作水平和生产成本。针对这种情况，我们提出了一种新型的激光模切技术。 第一章激光模切技术概述 1 2 激光模切技术 激光加工技术是涉及光学、机械学、电学、计算机等多种学科的高新技术。 近几年来，它所囊括的激光切割、激光焊接、激光打标、激光微细加工、激光热 处理、激光毛化、激光熔覆、激光表面合金化、激光快速成型、激光雕刻、激光 打孔等技术已经在工业、军事、商业和医疗等领域得到了越来越广泛的应用，发 展十分迅速【l 。1 9 8 5 到1 9 9 5 年间，国外激光产业以1 0 的比例增长，1 9 9 8 年 销售额达到9 7 0 亿马克，到2 0 1 0 年世界光电子工业的产值将达到4 0 0 0 亿美元， 2 1 世纪被誉为“光加工时代”i l2 。而在我国，据中国光电子工业协会统计，激光 加工产品的年销售额一直保持高速增长。如2 0 0 3 年比2 0 0 2 年增长了2 1 6 ，而 2 0 0 4 年比2 0 0 3 年增长了1 8 。正是由于激光加工技术的成熟性和应用范围的广 泛性，使得基于它的激光模切技术成为可能。 众所周知，激光是一种受激辐射相干光，它可以在极小的立体角( 毫弧度量 级) 、极短的时间。( 如n s 至l j f s 量级) 内作用到工件上，形成极高的温度，经光学 系统聚焦，可以在被照射材料表面上形成微米量级的极小光斑，获得高达l0 8 1 0 1 0 w c m 3 的甚至更高的功率密度1 1 1 j 。同时，材料和激光产生相互作用，在被加 工区域内将发生各种变化，包括材料的升温、熔化、气化、产生等离子云等等。 只要恰当地控制这些变化的产生程度，即可完成所需加工效果。简而言之，激光 加工系统是以激光作为“刀具”进行加工的，这是一种柔性可变的刀具，当激光 的输出功率、脉冲频率或者占空比等参数发生变化时，加工效果将会发生性质上 的变化，可以从激光标刻变为激光切割乃至焊接等等，而相应的机械结构和控制 系统几乎无需改动i l2 | ，基于此我们提出了激光模切技术。 激光模切，即根据计算机内待加工包装盒展开图样，利用聚焦形成的高功率 密度激光束，将材料快速加热至气化温度，同时使光束与材料相对移动，从而获 得窄的连续切缝和压痕的过程。而切缝和压痕的同时实现，正是不改变机械系统 和软件控制，仅仅改变相应的参数来完成的一种激光加工过程。继承了激光加工 技术的优越特性，激光模切同样属于高精度，高速度、低损耗的无接触加工。而 相对于传统模切技术而言，激光模切术可称之为无版模切，即在不需要模切版的 情况下，采用激光束直接加工材料表面，一次性完成模切和压痕，以光的非接触 式加工代替传统的机械接触式加工。激光模切作用时间短，模切速度快；从根本 上避免了刀具的损耗，降低了成本；使得工件无任何的扰动变形，提高了精度； 计算机的引入使得加工图样灵活多变，不需再为制造形状各异的模切版而大伤脑 筋；在一台计算机内可存储多个活样数据，通过网络同时控制多台激光器工作， 在更大范围内提高了生产率。需要注意的是，这里所提到的激光模切技术并不等 第一章激光模切技术概述 同于传统模切技术中的激光制版技术，因为前者所加工的对象的是加工材料本 身，而后者针对的是木质镶刀模切版。由此可见，正是由于采用了激光模切技术， 省去了模切版的制造、维修及其他辅助环节，省时省力，有针对性地克服了传统 工艺的缺点i l 引。 激光直接进行模切的优点是显而易见的：一、灵活性，只需要简单得在计算 机内输入需要得到的图样形状，通过调整激光的各项参数，即可轻松进行模切和 压痕，方便而快捷【l6 1 。二、对工艺流程的简化，由于不再需要模切版的制作， 因此针对客户的要求可尽快作出反应，从而提高了生产效率，降低了成本，主要 采用软件控制，因此在最后一分钟都可以改变设计，而不影响整个工作流程。三、 高精度，通过计算机的精确控制可大幅度提高加工产品的精度；此外，用计算机 可以对印刷和后加工之间的误差进行直接补偿，相对之前只要模具固定就无法进 行补偿的技术来说，无疑是一个大的飞跃。四、在进行模切压痕的同时，还可以 在线打出产品的批号，生产日期等。五、遇有生产品种多，生产批量小的情况， 尤其是制作样品纸盒时，激光模切就显得十分方便，其优越性就得以发挥【1 7 】。 1 3 激光模切系统概述 典型的激光模切系统包括：激光器、扫描系统，动力单元、冷却器、功率控 制器、软件、烟雾室等，如果不与印刷机或加工生产线结合一起，那么还有加工 料卷的运转系统，对套准精度要求高的加工，还需要配上电子显示对照系统【2 0 1 。 目前市场上用于激光加工的激光器主要有c 0 2 和y a g 两种，由于激光模切主 要针对的是纸制品加工，因此可采用输出波长能被非金属很好吸收的c 0 2 激光 器，此# l , c 0 2 激光器还有效率高、质量好、功率范围大( 几瓦到几万瓦) 、运行 费用低等优点，十分适合于纸制包装的加工，在功率足够大时模切速度非常快。 根据激光束的运动与否，扫描系统可分为定光式和动光式两类。利用工件运 动来进行加工的模切系统，它的激光束一般是固定不变的，需要依靠工作台的运 动来实现对工件的模切，此为定光式。由于工作台速度的限制，这种模切系统的 效率相对较低，加工速度受到很大限制，但是成本也因光路的固定不变而较低。 利用激光束运动来进行加工的模切系统，它所加工的工件要求是静止的，利用计 算机对扫描头中的两个振镜的控制来实现激光束的高速扫描运动，再通过可补偿 偏转角的聚焦镜将光束聚焦到工件表面，进而实现加工目的，此为动光式。相对 于激光束固定的系统，此种系统由于振镜的移动速度相对于工作台的移动速度要 快的多，因此提高了工作效率，但是由于采用了价格昂贵的振镜和平场聚焦镜使 得系统的成本大大增加，同时振镜自身尺寸范围受到一定限制，扫描幅面不可能 第一章激光模切技术概述 太大，因此需要根据实际情况对扫描系统进行选择。 软件控制是激光模切所需要解决的另一个核心内容。扫描方式可分为点阵扫 描和矢量扫描，由于模切需要较高速度，而加工图形相对简单，因此应该采用矢 量扫描。可以用a u t o c a d 或者其它一些通用的图形设计软件绘制矢量图形文件， 设计不同的线形或图层模式，根据线形或图层的不同来控制输出功率，激光光束 既可以完全将材料切透( 模切) ，也可以加上不同的调节参数，只将纸张切出一 定的深度( 压痕) ，从而可以实现在不同速度、不同功率下的模切压痕等动作。 此外，由于激光模切过程中可能会出现热气流横向运动引起的明火，以及因 氧化而导致的糊边，因此需要采用惰性气体对加工材料进行保护，这样材料将不 会与空气中的氧气接触，也就不会产生化学反应，从而避免上列不利情况的产生。 1 4 激光模切技术的应用范围及发展现状 虽然激光模切技术有众多优点，但在包装领域内，目前尚属推广阶段。据有 关资料显示，国外最早在2 0 世纪9 0 年代中期出现了激光模切技术，当时的i n d i g o 公司提供了他们1 9 9 5 年推出的数字印刷单元；另有一家公司也提供了激光模切 系统。作为当时刚刚推出的新技术，模切速度比较慢，当然这也与加工材料的厚 度有关。在d r u p a 2 0 0 4 展上有多家公司展出了激光模切技术与设备1 2 0 】。如 m o r l o c kg m b h + c o k g 公司( 展出了m p r i n t ) 、c a r t g se q u i p m e n t 公司以及 a bg r a p h i c 公司等，他们主要集中在商标、不干胶标签的模切领域【2 1 1 。此外还有 一些类似的激光模切系统，如t a m p op r i n t 公司展出的l a s e rs y s t e m ，其应用范围 更广。时至今日，国外已有多家公司推出相关设备，如：l a s e r s h a r p 、l i g h t e n i n g b o l t 、s o f t d i e 、a c u t e a r 、a c u b r e a t h e r 等等，均为专利注册牌号。其中由l a s x 公 司推出的l a s e r s h a r p 可以应用于各种包装中；w a v ef r o n tt e c h n o l o g i e s 公司的 s o f i d i e 数字激光纸制品加工系统专门针对商标制品加工市场，据称可以与现存的 几乎所有的商标印刷机兼容，有多种激光参数选项，速度可以达到6 0 0i p s ，脱 机加工当然也无问题；l a s e rm a c h i n i n g 公司的a c u t e a r ) 及a c u b r e a t h e 系统可以为软 包装提供激光压痕和打微孔操作，激光可以精确裁切多层包装，而不破坏包装的 密封性能和内部结构【l 列。但是为了保证技术领先的地位，用户引进此类设备时， 往往不愿公开让外界知晓，甚至与供应商签订保密协议。因此虽然此项技术在国 外已经逐步步入成型阶段，但是在市场推广方面仍然处于发展时期，有数据显示 m p r i n t 一年仅有五六台的销售量【博j 。 在国内，激光模切技术还属于一新生事物，目前尚属实验室研究阶段，迄 今为止没有在市场上发现相关设备的推出。有关人士认为激光模切技术未能引入 第一章激光模切技术概述 国内主要有以下原因：首先是成本问题，虽然激光模切不用制造模切版，但是以 激光器为主体的整个激光模切系统的成本还是偏高，尤其对于中小厂商而言，这 笔投资无疑是巨大的。其次就是速度，普通的柔性版印刷机和传统的模切装置进 行连接时，速度可以达到1 0 0 m m i m 但是如果连接激光模切装置，一般的配置 条件下一分钟达n - 三十米就不错了，即如果除去模切版加工、修复的时间，仅 就加工时间而言，激光模切系统在速度方面处于劣势。第三，国内的交货期限还 没有紧到要需要采用激光模切的地步，目前用传统模切还能够应付【2 0 1 。这三个 问题的存在，致使激光模切技术在激光加工领域内还仅仅属于一个概念，进入市 场似乎遥遥无期。但是问题并非无法解决，为了能够克服以上提到的问题，应该 从下面的角度加以考虑：首先在价格方面，任何一个产品均可根据其寿命和价格 进行相应的折算，故将模切版的制作以及维修损耗同激光器每小时的折旧进行一 个科学的测算，当二者价格接近或者相差不是很多时，便可从价格问题上克服难 关，这种计算相信可以说服大部分厂商，虽然是一个长线投资，但是引进的效益 还是相当可观的；第二，就速度方面，随着激光光源新品牌的出现、激光功率的 提高以及控制技术的发展，极有可能克服目前在速度上存在的不足；第三，随着 生产加工的国际化，必然会出现交货紧张等问题，这时采用激光模切系统就成为 必须，尤其是针对异形盒以及样品纸盒而言，更是传统模切所无法完成的。再考 虑到这项新技术的众多优势，相信会有越来越多的企业产生浓厚的兴趣，激光模 切势必会得到更大范围的推广和使用。 1 5 本论文研究的主要目标 本论文研究的主要目标是开发出可以对轻薄、异形纸盒进行有效连续性模 切的激光模切系统，以弥补国内在这一技术领域内的空白；同时在系统软硬件的 选择以及控制技术方面，力求能够满足价格、速度以及实际加工效果等多方面的 要求。由于激光模切系统的加工材料一般为非金属，因此加工光源选用c 0 2 激光 器；采用振镜式扫描系统，可以在保证模切效果的同时，最大程度地提高加工速 度；软件部分在v c 6 0 环境下进行编写，对于模切过程中的各个参数可以方便设 置、优化处理、对包装盒展开图能够及时修改；最后需要联系实际情况对整个系 统进行调试，选择最优的模切参数，力求达到最好的加工效果，从而验证激光模 切系统的可行性。 第二章激光模切技术理论研究 第二章激光模切技术理论研究 2 1 激光模切作用原理概述 2 1 1 激光与物质相互作用的物理基础 激光是一种特定介质( 如红宝石、钇铝石榴石或c 0 2 ) 在电、光或者其他能 波的激发下反复振荡、放大后射出的一束光子流。这束光子流波长单一( 单色性 好) ，发散角小( 方向性好) ，具有相干、高能、高亮度等特性，经聚焦后可达到 很高的功率密度( 1 0 6 1 0 1 2 w c m 2 ) ，用它做热能源，对材料或者零件可以进行 高效率、高精度的加工。 激光与物质的相互作用是激光加工的物理基础。因为激光首先要被材料吸收 并转化为热能，才能用不同功率密度或能量密度对其进行加工。当激光作用到被 加工材料上，光波的电磁场与材料即会产生相互作用，这一相互作用过程主要与 激光的功率密度、激光的作用时间、材料的密度、材料的熔点、材料的相变温度、 激光的波长和材料表面对该波长激光的吸收率、导热率等有关【1 1 1 。 一、激光与物质相互作用物理过程 高功率激光光束 作用于物体表面时， 物体表面将吸收大量 的激光能量，引起温 度升高、熔化、气化 和喷溅等现象。具体 过程依赖于激光参数 业些些尊 a )b )c )d ) 图2 - 1材料在激光作用下的不同状态 ( 能量、波长及脉宽等) 、材料特征和环境条件。当激光的作用时间较短，功率 密度较低，为10 3 10 4 w c m 2 时，大部分入射光被吸收，材料温度逐渐升高，这 种情况下，一般只能加热材料，不能熔化和气化材料，如图2 1 a ) 所示；当激光 的功率密度升高到1 0 4 1 0 6 w c m 2 时，温度达到材料的熔点，材料开始熔化，形 成熔池，如图2 1 b ) 所示；当激光的功率密度升高到达1 0 6 1 0 s w c m 2 时，达到材 料的气化点，材料开始气化和蒸发，形成等离子体，如图2 1 c ) 所示；再进一步 提高激光功率密度到1 0 8 w c m 2 以上，并加长辐射时间，此时材料表面强烈气化， 形成较高电离度的等离子体，一方面它阻碍了激光对材料的辐射，另一方面在较 大的气化碰撞压力下，材料表面生成小孔，增强了材料对激光的吸收，如图2 1 d ) 所示【2 3 1 。以上四个阶段即为激光同物质相互作用的物理过程，从中可以看出对相 第二章激光模切技术理论研究 同物质而言，激光的功率密度和作用时间是影响作用效果的两个极其重要的因 素。 二、物质对激光的吸收及其影响因素 激光照射到材料表面上时，由于光波的电磁场与物质的相互作用，将产生反 射、折射和吸收，这一过程应当满足能量守恒定律，l l p 风+ 口月+ 勺= 1 公式( 2 - 1 ) 式中，p r 为材料的反射率，为材料的吸收率，钉为材料的透射率。当 激光沿x 方向传播，照射到材料上被吸收后，其强度满足关系式： i = i 公式( 2 2 ) 式中，i 为激光被材料吸收后的强度，i o 为入射光强度，a a 为材料的吸收率， 此式称为布格尔定律。由此可见，激光在材料内部传播时，强度按指数规律衰减， 其衰减程度由材料的吸收率卧决定，即物质同激光的相互作用主要取决于材料对 该种波长激光的吸收率的大小【2 3 】。 材料对激光的吸收率除了取决于材料的种类外，还与激光波长有关。p r 及a a 的值可由材料复数折射率的测量值进行计算。材料的复数折射率为： ”= 卢+ 切 公式( 2 3 ) 其中p 为复数折射率的实部，即通常所说的媒质的折射率，而虚部1 1 为消光系 数。根据菲涅尔公式，当激光垂直入射到平板材料时，激光的反射率p r 为： 岛= 静踹 对于不透明材料，材料的透射率x t ：o ，则有= l 一伟，从而： 吼2 万葡 材料的吸收率a a 也可由下式给出： 吼：挈 以 式中，1 1 为消光系数，九为入射光波长。 当激光斜射至平板材料时，垂直于入射面的s 分量的反射率p r s 为： 如- ( 焉糍 2 平行于入射面的p 分量的反射率p r p 为： 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 5 ) 公式( 2 - 6 ) 公式( 2 7 ) 第二章激光模切技术理论研究 n r 堡c o s q 一啊c o s 0 2 2 m 2 l 毒5 历蓠c 。s 岛j 公式( 2 - 8 ) 式中，1 1 1 和n 2 分别为两媒质的折射率，0 l 和0 2 分别为入射角和折射角。当0 l = 0 2 - - - - 0 时，光线垂直入射，此时： 船= 触= 而( r 毛- n 2 ) 2 公式( 2 9 ) 由上可以看出，材料的吸收率a a 主要与激光作用波长、材料温度、入射光偏 振态、激光入射角和材料表面状况有关。首先，由式( 2 6 ) 可知，吸收率是波长的 函数，随波长的变化而变化，一般情况下，照射光的波长越短，吸收率越大。其 次，当温度变化时，材料对激光的吸收率也随之变化：温度升高，材料的吸收增 大。激光功率越大，使材料的温度上升得越高，则材料的吸收率也越大。此外， 若入射的激光为垂直于入射面的线偏振光，反射率p r 随入射角增大而增大，而吸 收率卧随入射角的增大而减小；若入射激光为平行于入射面的线偏振光，则反射 率p r 随入射角的增大而减小，吸收率随入射角的增大而增大【1 1 1 。并且，一般情况 下，材料的表面越粗糙，反射率越低，材料对光的吸收率越大，而且在激光加工 过程中，由于激光对材料的加热，存在表面氧化和污染，材料对光的吸收将进一 步扩大。 三、不同材料对激光的吸收 不同的材料对不同波长的激光表现为不同的吸收率，下面就分别探讨金属和 非金属对激光吸收的不同。 1 金属对激光的吸收 金属为导电媒质，内部有很多未被束缚的电子，当激光照射在金属表面上， 这些电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波 和较弱的透射波，透射波部分在很薄的金属表层被吸收。对于大多数金属而言， 在可见光和红外波段范围内都有很高的反射率，可达7 8 9 8 ，而在紫外波 段吸收率较高。由于反射率和吸收率均随波长变化，因此在激光加工过程中，为 了有效地利用激光能量，应当根据不同的材料选用不同波段的激光。表2 1 为室 温下几种金属对特定波长激光的吸收率【2 3 1 。 2 非金属对激光的吸收 非金属与金属不同，它对激光的反射率比较低，而吸收率比较高，同时非 金属的结构特征也决定了它对激光波长具有强烈的选择性。非金属材料的导热性 很小，在激光作用下，不是依靠自由电子加热。长波长( 低频率) 的激光照射时， 激光能量可以直接被材料晶格吸收而使热振荡加强。短波长( 高频率) 的激光照 射时，激光光子能量高，激励原子壳层上的电子，通过碰撞传播到晶格上，使激 第二章激光模切技术理论研究 光能量转化为热能被吸收【1 1 】。激光模切所针对的加工材料大都是非金属，因此会 有很好的吸收效果。 表2 1 室温下几种金属对特定波长的激光的吸收率 激光器氩离子红宝石 y a g c c h 波长 5 0 0 n m 7 0 0 n m 1 0 6 p r o1 0 6 1 a m 铝 o 0 90 1 l0 0 80 0 1 9 铜0 5 6o 1 70 1 00 0 1 5 金o 5 8o 0 70 0 1 7 铁 0 6 80 6 4 0 0 3 5 2 1 2 激光模切作用原理 由前面的研究可知，激光作用于材料表面，根据其波长以及材料物质的不同， 在被加工处会产生不同的变化，通过控制激光功率的大小以及作用时间长短，即 可完成所需要的加工效果。 激光模切，就是在被加工物体表面，通过激光照射，一次性形成切缝和压痕 的过程。其中压痕效果主要是通过被加工物体表层物质蒸发，暴露出深层物质来 实现的；加大激光功率，当材料被激光穿透后，以一定的速度移动激光束，即可 形成切缝效果。在加工过程中，按照存储在计算机内的数据，通过控制激光功率 大小，来完成部分区域切缝、部分区域压痕的效果，即可达到最终要求，完成一 次性的模切压痕。 用于激光模切的激光光束最好为基模( t e m o o ) ，因为基模有轴对称的光强 分布，衍射损耗最低，能达到最佳的光束聚焦效果。当高斯光束入射到焦距为f 的透镜上时，聚焦后焦点处的光斑半径o 近似为： 九f 。 c o o 二 刀功 公式( 2 - 1 0 ) 其中为聚焦前光束半径，伪透镜焦距。此式实现的前提条件是保证入射高 斯光束的束腰远离透镜，而当两者距离趋近于无穷大时，出射光束的束腰半径趋 近于0 ，即可获得高质量的聚焦光点。实际上，聚焦光点半径是有一定大小的。 由式( 2 1 0 ) 可知，其值除了和波长有关，还和透镜焦距以及入射光束腰半径有关。 因此，为了达到较高的功率密度，在进行光路设计时，需要尽量采用短焦距透镜 以及扩束镜( 使得入射到透镜面上的激光束半径变大) 1 2 5 1 。同时，如果激光是高 第二章激光模切技术理论研究 阶模，光束具有非轴对称的光强分布，光斑尺寸比基模显著增大，在激光功率相 同的情况下，会导致焦点处的功率密度减小，故一般采用基模激光。 2 2 激光器的选择及其激励电源控制原理 激光作为激光模切的加工“刀具 ，其性能的好坏直接影响到最终的加工效 果，因此选择一个性能良好的激光器会大大提高系统整体性能。根据工作物质的 不同，激光器可分为气体激光器、固体激光器和液体激光器。按照工作方式的不 同，激光器可分为连续激光器和脉冲激光器。目前市场上用于激光加工的激光器 主要有n d ：y a g 激光器、c 0 2 激光器、准分子激光器和大功率半导体激光器等。 由于各种激光波长和特性的不同，它们的应用领域各有差异。其中大功率c 0 2 激 光器和y a g 激光器主要用于大型工件的激光加工，中小功率的c 0 2 激光器和y a g 激光器在精密加工中应用较广泛，准分子激光器多用于微细加工。激光模切主要 针对的是非金属材料的加工，因此应选用c 0 2 激光器作为加工光源【l 。 c 0 2 激光器具有效率高、光束质量好、功率范围大( 几瓦到几万瓦) 、能连 续和脉冲输出、运行费用低、输出波长( 1 0 6 _ t m ) 正好处于大气窗口等优点，因 此它是气体激光器中应用最广泛的一种激光器。目前，中小功率c 0 2 激光器主要 有直管式高压放电c 0 2 激光器和射频激励c 0 2 激光器。直管式高压放电c 0 2 激光 器输出功率大、成本低、技术简单，目前仍占据着最大的市场，但是由于其采用 高压放电结构使得它脉冲频率较低；放电不稳定，限制了注入功率密度的提高； 电源功率因数低，不利于节能；寿命不够长。相对于直管式c 0 2 激光器，封离式 射频激励c 0 2 激光器有众多优点：射频气体放电具有正向伏安特性，可实现持续 放电，电能利用效率高；放电稳定，可实现大面积均匀放电；注入功率密度高， 器件体积大为缩小；工作电压低，有利于提高器件寿命，并且使用安全；射频信 号可以实现高频幅度调制，输出激光功率控制程度高；可以实现真正的连续和脉 冲方式转换1 2 6 】。鉴于此，本系统采用射频激励c 0 2 激光器。 对同种材料而言，在吸收率保持一定的情况下，通过控制入射激光的功率密 度即可改变加工效果，一次性实现模切和压痕。对于射频c 0 2 激光器，其电源技 术一般采用p w m 方式，通过调制信号占空比的调节来控制激光输出平均功率， 图2 2 即为射频c 0 2 激光器电源控制电路框图。 图2 - 2 射频电源控制电路框图 1 l 第二章激光模切技术理论研究 它由直流电源提供电压，输入回路主要用来抑止电磁干扰，防止电网和和射 频电源之间互相影响；振荡回路产生一定频率的射频振荡信号，为射频电源提供 信号源，射频频率 的范围一般在 lm h z 2 0 0m h z 之间；p w m 信号 控制部分提供占 空比和频率均可 调的调制信号；经 p w m 信号调制后 的射频信号在放 大回路部分进行 功率的放大，输出 要求功率的射频 能量；最后经匹配 回路输入到激光 射额信号 翟啊铡信号 图2 - 3 p w m 信号调制 嗣后的射鞭信号 激光簟出旃率 器的放电管中，匹配回路的主要目的是消除不匹配负载的反射，同时也有滤波的 功能【2 6 1 。其中p w m 信号控制部分通过对射频信号的调制，控制通过放电电极耦 合到放电管中的电功率，实现对输出激光功率的控制，其信号调制过程如图2 3 激 光 输 出 皿 均 功 率 0 5 0 1 0 0 占空比( ) 图2 - 4 激光输出平均功率特性曲线 所示：在p w m 信号高电平期间， 允许射频功率输入到放电管；在 p w m 信号低电平期间，射频功率 禁止输出。因此，激光器输出激 光平均功率的大小( 正比于耦合 入放电管的电功率) 取决于在一 个p w m 周期内高电平的持续时 间，即取决于p w m 信号的占空 比。图2 - 4 为典型射频c 0 2 激光器 输出平均功率的特性曲线【2 7 1 。从 图中可以看出，激光器输出激光 的平均功率随占空比的增大而增 大，当到达一定程度时会缓慢增 长。除占空比之外，p w m 信号的 频率对激光输出也有一定的影响，在保证占空比相同时，p w m 信号的频率越高， 第二章激光模切技术理论研究 调制深度越低，输出激光功率的脉动越小，曲线越平滑，但由于气体击穿放电需 要一定的响应时间，因此p w m 信号频率不宜设置过高，激光器生产厂家对此值 一般都有上限限制。此外，预电离技术也是射频电源控制技术中不可或缺的一项， 它是为了保证主放电的均匀性和稳定性而在主放电之前插入的，使得放电管达到 放电阈值状态。预电离信号同p w m 信号相似，也是一高低电平信号，所不同的 是它的占空比很低，即高电平持续时间很短【2 8 1 。 综合以上分析，激光模切系统采用射频激励c 0 2 激光器作为加工光源，其电 源控制采用p w m 技术，通过频率和占空比的实时调节来控制激光输出平均功率， 达到一次性模切压痕的加工效果。 2 3 模切扫描系统研究 2 3 1 振镜式激光模切方式 振镜式技术是由g e n e r a ls c a n n i n g 实验室发展起来的一种激光扫描技术，自 从1 9 6 5 年第一个激光扫描头被发明以来，在扫描精度和频率上有了很大的发展。 其中振镜是一种高精度、高重复性的光学扫描器，它在扫描电机的驱动下绕固定 转轴按一定规律旋转，在旋转过程中通过改变反射激光束的出射方向来实现扫 描。质量好的振镜峰值力矩大、负载惯量大、扫描角度范围大、反应速度快、机 电延迟时间小、动作稳定、漂移小、使用寿命长且长期工作可靠性好。近年来随 着振镜质量的提高和驱动技术的改进，此项技术更加成熟。 图2 5 为振镜式系统构造简 图。x 、y 为两片振镜，控制在相 应方向上的扫