激光打標(biāo)機(jī)的使用及常見問題的解決方案

田新國,王斌修

(青島理工大學(xué),山東青島 266033)

激光打標(biāo)技術(shù)與其他激光加工技術(shù)如激光切割、激光焊接、激光熱處理、激光快速成形等相比,是目前激光加工領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的一項(xiàng)技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中,可利用激光打標(biāo)技術(shù)將文字、圖形等永久性的標(biāo)記在多種不同材料的表面。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在激光打標(biāo)都是通過與數(shù)控技術(shù)、控制軟件和計算機(jī)輔助設(shè)計軟件相結(jié)合,既可直接在控制軟件中設(shè)計簡單的文字、圖形,也可使用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件設(shè)計設(shè)計較為復(fù)雜的文字、圖形,然后對這些文字、圖形的文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,最后通過控制軟件控制激光的輸出和軌跡。

1 激光打標(biāo)機(jī)原理

激光與物質(zhì)的相互作用是激光加工的基礎(chǔ)。當(dāng)激光照射到材料上時,電磁能首先轉(zhuǎn)化為電子激發(fā)能,然后再轉(zhuǎn)化為熱能或化學(xué)能。因此,加工過程中材料的被加工區(qū)域?qū)l(fā)生各種變化,這些變化主要體現(xiàn)在材料的升溫、熔化、汽化、產(chǎn)生等離子體云等。與傳統(tǒng)打標(biāo)技術(shù)相比,激光打標(biāo)屬于非接觸加工,不會引起變形,加工熱影響區(qū)小,工件材料損耗小,圖案質(zhì)量好,不易被假冒且加工過程易于實(shí)現(xiàn)自動化,加工效率高。尤其是在加工高硬度、高熔點(diǎn)和脆性的材料時,更能顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.1 泵浦技術(shù)

固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、價格便宜等優(yōu)點(diǎn),在激光打標(biāo)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。本文就以固體激光器為例介紹激光器泵浦技術(shù)。固體激光器泵浦方式可分為氣體放電燈泵浦和半導(dǎo)體激光二極管泵浦兩種方式[1]。

(1)氣體放電燈泵浦。脈沖固體激光器采用脈沖氙燈泵浦,連續(xù)固體激光器采用氪燈或碘鎢燈泵浦。放電燈的發(fā)射光譜分為連續(xù)譜和線狀譜,覆蓋的波長范圍很寬,只有與激光工作物質(zhì)的吸收波長相匹配的光才可被有效地吸收。氣體放電燈泵浦有很多能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),因此激光器轉(zhuǎn)換效率很低。

(2)半導(dǎo)體激光二極管泵浦。采用輸出激光波長與固體激光工作物質(zhì)吸收波長相匹配的激光作為泵浦光源可大大提高激光器效率。近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦固體激光的全固態(tài)激光器,以目前氣體放電燈泵浦無法比擬的泵浦效率,使固體激光器體積大大縮小、結(jié)構(gòu)緊湊,且無需水冷,供電簡單,在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)用,是目前固體激光器的主要研究和發(fā)展方向。

1.2 激光打標(biāo)的原理

激光打標(biāo)是用激光束在各種物質(zhì)表面打上永久性標(biāo)記。打標(biāo)的效應(yīng)是通過表層物質(zhì)的蒸發(fā)露出深層物質(zhì),或通過光能使表層物質(zhì)發(fā)生化學(xué)物理變化而“刻”出痕跡,或通過光能燒掉部分物質(zhì),顯出所需刻蝕的文字、圖形。激光打標(biāo)的原理大體上分為以下兩種:

(1)“熱加工”。具有較高能量密度的激光束,照射到被加工材料表面上,材料表面吸收激光能量,在照射區(qū)域內(nèi)發(fā)生熱激發(fā)過程,從而使材料表面溫度上升,產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。

(2)“冷加工”。具有很高負(fù)荷能量的光子,能打斷材料或周圍介質(zhì)內(nèi)的化學(xué)鍵,使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標(biāo)記中具有特殊的意義,因?yàn)樗皇菬釤g,而是不產(chǎn)生“熱損傷”副作用的、打斷化學(xué)鍵的冷剝離,因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產(chǎn)生加熱或熱變形等作用。

1.3 打標(biāo)實(shí)現(xiàn)

激光打標(biāo)機(jī)首先通過專用點(diǎn)云轉(zhuǎn)換軟件,將二維圖像轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云圖像,然后根據(jù)點(diǎn)的排列通過控制軟件控制激光在工件表面上的位置和激光的輸出。由氪燈泵浦Nd:YAG激光器產(chǎn)生波長為1 064 nm的激光,其結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后,再射到振鏡掃描器的反射鏡上,振鏡掃描器在計算機(jī)的控制下高速擺動,使激光束在 X、Y二維方向上進(jìn)行掃描,形成平面圖像。激光打標(biāo)是通過鏡頭將激光束聚焦到工件表面形成一個個微細(xì)的、高能量密度的光斑,每一個高能量的激光脈沖瞬間在工件表面燒蝕形成標(biāo)記,在計算機(jī)的控制下連續(xù)不斷地重復(fù)這一過程,預(yù)先設(shè)計好的文字、圖形等內(nèi)容就永久地蝕刻在工件表面。

2 激光打標(biāo)機(jī)的使用

一臺高性能的激光打標(biāo)機(jī),其控制軟件尤為重要,現(xiàn)以激光打標(biāo)控制軟件Ctmark為例進(jìn)行介紹。軟件Ctm ark功能強(qiáng)大,不但可利用軟件本身進(jìn)行圖文編輯,而且可導(dǎo)入經(jīng)過輔助軟件處理的文字與圖形進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換,主要是.BMP格式、.PLT格式和.DXF格式。因此對一些較簡單的文字和幾何圖形可直接在軟件中繪制,而對于一些較復(fù)雜的文字、圖形,則選擇適合軟件Ctmark和具有較好打標(biāo)品質(zhì)的基礎(chǔ)性圖形設(shè)計軟件來設(shè)計如Corel-DRAW、AutoCAD等軟件。通過這些軟件,用戶可很方便地繪制和編輯圖形,具有作圖效率高、圖形精度高等優(yōu)點(diǎn)。此外,軟件Ctmark的界面非常友好,可對導(dǎo)入的文字、圖形進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)、復(fù)制、剪切、粘貼等。

2.1 使用軟件本身進(jìn)行圖文編輯

在該部分主要通過具體的打標(biāo)實(shí)例來介紹激光打標(biāo)機(jī)的使用,即分3行在復(fù)合材料上打出“青島理工大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心激光實(shí)驗(yàn)室”。

(1)文字輸入及文本參數(shù)設(shè)置。在文字輸入界面,分3行輸入“青島理工大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心激光實(shí)驗(yàn)室”。然后設(shè)置文字的相關(guān)參數(shù),“字體”選項(xiàng)中包含了多種中英文字體,在此次實(shí)驗(yàn)中選擇楷體?！白煮w高度”設(shè)定為 5;“填充間距”設(shè)定為 0.05,“填充角度”設(shè)定為0,這兩項(xiàng)參數(shù)用來設(shè)置水平方向的填充線條,表示水平方向線條的間距是0.05mm;“填充間距2”設(shè)定為 0.05,“填充角度”設(shè)定為90,這兩項(xiàng)參數(shù)用來設(shè)置垂直方向的填充線條,表示垂直方向線條的間距是0.05mm?！靶虚g距”選項(xiàng)在打多行文字時使用,設(shè)置多行文字中行與行之間的距離,本此實(shí)驗(yàn)中輸入的文字分為3行,為了避免打標(biāo)時發(fā)生重疊,故將“行間距”設(shè)定為5。文字的所有相關(guān)參數(shù)設(shè)定完成后,文字效果見圖2。

圖2 文字編輯效果圖

(2)在復(fù)合材料表面打標(biāo)。打標(biāo)開始前,調(diào)節(jié)激光光束和焦點(diǎn)的位置,用轉(zhuǎn)換片觀察從場鏡下方射出的激光束。如果光斑為規(guī)整的圓,且內(nèi)部綠色光暈分布均勻,說明光束質(zhì)量較好;若光斑為橢圓且內(nèi)部綠色光暈有明顯缺陷,則光束質(zhì)量較差,需要對激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。激光束調(diào)好后,調(diào)節(jié)激光束焦點(diǎn)的位置。通過調(diào)節(jié)升降臺來觀察復(fù)合材料表面上激光的亮度和刻蝕時的聲音,最終使復(fù)合材料表面位于焦深范圍內(nèi)(1～2 mm左右)。

“范圍”選項(xiàng)用來查看當(dāng)前的打標(biāo)范圍在復(fù)合材料表面上是否合適,不合適時可分別調(diào)整復(fù)合材料在X、Y方向的坐標(biāo),確定最佳打標(biāo)位置。最后設(shè)置激光打標(biāo)機(jī)的打標(biāo)參數(shù)(圖3)。其中“基本參數(shù)”和“高級參數(shù)”均采用系統(tǒng)默認(rèn)值,“功率參數(shù)”中頻率設(shè)定為3 000,脈寬設(shè)定為6。點(diǎn)擊“打標(biāo)”選項(xiàng),激光打標(biāo)機(jī)開始在復(fù)合材料表面上刻蝕文字。需注意:激光打標(biāo)過程中輸出的光束包含可見和不可見的輻射,對人眼有害,必須使用專用安全防護(hù)鏡。打標(biāo)結(jié)束后實(shí)物圖見圖4。

圖3 打標(biāo)參數(shù)

圖4 文字打標(biāo)效果圖

2.2 輔助軟件設(shè)計的文字和圖形文件格式轉(zhuǎn)換及打標(biāo)過程

軟件Ctmark可兼容很多輔助軟件。此次試驗(yàn)中以AutoCAD繪制的法拉利車標(biāo)為例,介紹在軟件Ctmark中輔助軟件設(shè)計的文字和圖形文件的格式轉(zhuǎn)換過程。

用AutoCAD繪制法拉利車標(biāo)見圖5。使用設(shè)計軟件AutoCAD繪制完成后,在文件保存時選擇保存格式為.DXF。打開軟件Ctmark,在“導(dǎo)入”選項(xiàng)中選擇導(dǎo)入文件格式為.DXF,找到并選定用Auto-CAD繪制的法拉利車標(biāo)文件。在圖形生成過程中,為了避免圖形失真,要根據(jù)所需圖標(biāo)的大小合理設(shè)置相關(guān)的參數(shù)見圖6。其中圖形長度設(shè)定為25,為了防止圖形導(dǎo)入后長寬比例不協(xié)調(diào),選擇“相同比例”選項(xiàng),軟件會自動計算出相應(yīng)的寬度值以及轉(zhuǎn)換比率。導(dǎo)入完成后,圖形效果見圖7,保存文件,這樣就完成了文件格式的轉(zhuǎn)換過程,得到格式為.CT的打標(biāo)文件。打標(biāo)時,打開上面保存的文件,剩余的打標(biāo)過程與使用軟件本身進(jìn)行圖文編輯時相同。在復(fù)合材料表面上打出的圖標(biāo)實(shí)際效果見圖8。

圖5 使用AutoCAD繪制的法拉利車標(biāo)

圖6 圖形導(dǎo)入?yún)?shù)

圖7 圖形導(dǎo)入后的效果

圖8 圖形實(shí)際效果圖

3 激光打標(biāo)過程中出現(xiàn)的問題及解決方案

激光打標(biāo)機(jī)由水冷系統(tǒng)、控制柜、工控機(jī)、激光電源、聲光電源、工作臺、掃描頭、激光器組件、K型支架等部分組成,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以激光打標(biāo)機(jī)在使用過程中會不可避免地出現(xiàn)各種問題。

(1)高壓氪燈無法點(diǎn)燃。按正常的開機(jī)順序打開激光打標(biāo)機(jī):先開水泵,再開電源后,操作面板上的直流電壓表應(yīng)有260 V左右的電壓讀數(shù),這表明主電路已開始正常工作。點(diǎn)火電路經(jīng)過3～5 s充電后,其4倍壓整流電路已充電到1 000 V左右,在此時按下點(diǎn)火開關(guān),變壓器將產(chǎn)生10 000 V以上的高壓并瞬間加到高壓氪燈上,將其點(diǎn)亮。然后控制電路迅速切斷高壓電路,另將主電路的260 V直流電經(jīng)預(yù)燃電阻降到100 V左右,加到高壓氪燈上。這樣高壓氪燈就完成了預(yù)燃,此時電流表讀數(shù)為4 A左右[2]。

當(dāng)高壓氪燈無法點(diǎn)燃時,應(yīng)首先檢查電壓表讀數(shù)是否為260 V。若電壓表讀數(shù)不是260 V,則是主電路或整流電路有問題。若電壓表讀數(shù)是260 V,那么就在未按點(diǎn)火開關(guān)前檢查高壓氪燈兩端直流電壓是否達(dá)到1 000 V。如果沒有達(dá)到就檢查4倍壓電路;如果達(dá)到了則在按下點(diǎn)火開關(guān)的瞬間,仔細(xì)觀察高壓氪燈兩端裸線對安裝氪燈的腔體金屬外殼有無高壓放電現(xiàn)象。若有,則說明點(diǎn)火瞬間已有10 000 V的高壓電產(chǎn)生,高壓氪燈無法點(diǎn)燃是氪燈老化或因存放時間過長,高壓氪燈的真空度下降所致,此時只需更換高壓氪燈即可。但如果沒有高壓放電現(xiàn)象產(chǎn)生,那么很可能是變壓器損壞,需更換變壓器。

(2)高壓氪燈點(diǎn)燃后不能維持工作。在實(shí)際使用中,高壓氪燈點(diǎn)燃后不能維持工作與高壓氪燈無法點(diǎn)燃的區(qū)別并不明顯,但一定要區(qū)別開來。可通過以下方法進(jìn)行分辨。首先檢查電流表在點(diǎn)火開關(guān)按下的瞬間是否有10～15 A的數(shù)值顯示。其次仔細(xì)觀察光路在點(diǎn)火瞬間有無激光一閃,有就證明高壓氪燈可點(diǎn)燃只是無法維持工作?；蛘哂^察高壓氪燈兩端裸線對腔體的金屬外殼有無高壓放電現(xiàn)象,如果沒有同樣說明高壓氪燈可以點(diǎn)燃,只是無法維持工作。這時只需降低預(yù)燃電阻的電阻值,范圍在25～35即可解決問題。

(3)激光打標(biāo)機(jī)啟動后,打出的文字或圖形變淺。出現(xiàn)這種問題后,首先打開燈室檢查高壓氪燈。如果高壓氪燈的兩端變黑,那么打出的文字或圖形變淺很可能是高壓氪燈老化造成的,需更換高壓氪燈。如高壓氪燈正常,那么接著檢查燈室的反射面,因?yàn)榧す獯驑?biāo)機(jī)冷卻系統(tǒng)如使用去離子水作為冷卻介質(zhì),去離子水在靜止時會產(chǎn)生少許的臭氧,而臭氧具有強(qiáng)氧化性,漂浮在腔室上層時很可能會腐蝕反射面。如果在反射面上出現(xiàn)眾多麻點(diǎn),這時高壓氪燈發(fā)出的光經(jīng)反射面反射后到達(dá)Nd∶YAG棒的光子數(shù)量會減少,使激光器輸出功率降低,從而使打出的文字或圖形變淺。這時更換燈室反射面上半部分就可解決問題。

(4)激光打標(biāo)機(jī)正常工作過程中,突然出現(xiàn)部分或全部文字變淺的現(xiàn)象,但停機(jī)等待十幾分鐘后,激光打標(biāo)機(jī)恢復(fù)正常工作,打幾個工件后又出現(xiàn)同樣的問題。出現(xiàn)這種情況后,首先檢查打標(biāo)機(jī)的光路和冷卻系統(tǒng),如均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象,接著檢查高壓氪燈。打開燈室,如發(fā)現(xiàn)高壓氪燈的兩端發(fā)黑,那么該故障很可能是高壓氪燈老化造成的,需更換高壓氪燈。如更換高壓氪燈后仍未解決問題,那么可初步認(rèn)定是Nd∶YAG棒老化,Nd涂層變薄或其活性降低,造成吸收高壓氪燈光子數(shù)量減少,從而導(dǎo)致激光發(fā)射不穩(wěn)定。這時需要更換Nd∶YAG棒。

(5)激光打標(biāo)機(jī)啟動后,打出的文字或圖形不清晰。有可能是由于振動、工裝磨損或固定螺栓松動等原因,使鏡頭到工件的距離發(fā)生了變化。這時可調(diào)節(jié)激光器的位置,按設(shè)備上焦距調(diào)節(jié)方向微調(diào),找出最佳效果。需要注意每次調(diào)節(jié)量不宜過大,并做好每次調(diào)節(jié)后的效果記錄,找出變化的規(guī)律,這樣調(diào)節(jié)才能快速、準(zhǔn)確,否則容易調(diào)亂,浪費(fèi)時間。如調(diào)節(jié)沒有效果,那么打開燈室,檢查故障是否由高壓氪燈使用時間過長、光亮度降低所造成的。若是,則更換新的高壓氪燈。如果高壓氪燈正常工作,那么接下來要檢查高壓氪燈和聚光腔內(nèi)的濾紫外線玻璃管,仔細(xì)觀察它們的表面是否附著有水垢。若存有水垢,那么需用棉花簽蘸醋酸小心清洗,去除水垢;若沒有水垢,那么故障很可能是因?yàn)榧す馐趥鞑ミ^程中沒有通過擴(kuò)束鏡的中心造成的。解決方法是將隨機(jī)配置的轉(zhuǎn)換玻璃片插到輸出鏡上,打開氦氖燈,檢查光點(diǎn)是否在水平或垂直方向偏離了中心。然后對應(yīng)的微調(diào)全反射鏡片架上的兩個小螺釘,使光點(diǎn)移到中心即可。除以上原因外,打出的文字或圖形不清晰還有可能是激光器聚光腔內(nèi)有積水、電網(wǎng)電壓過低等原因造成的,這時需要清潔聚光腔,使其保持干燥或是調(diào)高輸入電壓。

(6)激光打標(biāo)機(jī)報警。主要原因:①軟件不工作,主板松動;②沒有打開冷卻系統(tǒng),導(dǎo)致激光器聚光腔內(nèi)的溫度超過設(shè)定值,甚至?xí)p壞激光管;③冷卻系統(tǒng)中的水溫過高或水量不夠。

相應(yīng)的解決措施:①打開電腦主機(jī),把主板取下,重新插一遍;②開機(jī)前先打開冷卻系統(tǒng),如激光管已損壞,則要更換新的;③往冷卻系統(tǒng)中的水箱添加去離子水或蒸餾水,達(dá)到合適的水位。

4 結(jié)論

隨著計算機(jī)技術(shù)及其他相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展,激光打標(biāo)技術(shù)逐漸成熟,激光打標(biāo)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。為了更好地使用激光打標(biāo)機(jī),需對打標(biāo)控制軟件以及CorelDRAW、AutoCAD等輔助軟件熟練掌握。為此,本文通過具體實(shí)驗(yàn)介紹了激光打標(biāo)機(jī)的基本原理,激光打標(biāo)的過程尤其是輔助軟件設(shè)計的文字和圖形文件的格式轉(zhuǎn)換過程,探討了激光打標(biāo)機(jī)在使用過程中可能出現(xiàn)的問題及相應(yīng)的解決方案。

[1] 張國順.現(xiàn)代激光制造技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 戴志文.激光打標(biāo)機(jī)常見故障與維修[J].設(shè)備管理與維修,2007(10):51.

[3] 王炳龍,王家先.激光打標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用[J].電訊工程,2009(2):19-23.