ABS材料紅外激光打標工藝參數分析

蔣世磊+楊國鋒+張錦+等

摘要： 分析激光打標工藝參數對不同顏色基底ABS材料激光打標效果和質量的影響。采用Nd∶YAG1064 nm端泵激光打標設備，使用不同功率、頻率、焦距等參數，分別對白、粉、紅、藍和黑5種基底顏色的丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）塑料進行紅外激光打標，并對打標后材料的微觀結構進行了表征。結果表明，不同顏色的ABS材料的打標性能各不相同，ABS材料的基底顏色對激光打標效果影響較大。實驗獲得了不同基底顏色ABS材料激光打標的工藝參數，為進一步研究提供借鑒。

關鍵詞： 激光打標； ABS； 評價方法； 工藝參數

中圖分類號： TN 24文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.011

Analysis of infrared laser marking technical parameters of

acrylonitrilebutadienestyrene copolymer

JIANG Shilei， YANG Guofeng， ZHANG Jin， SUN Guobin

（School of Photoelectrical Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： In this paper， we analyze the influence of different color ABS materials over the laser marking performance. The acrylonitrilebutadienestyrene （ABS） materials with white， pink， red， blue and black are radiated by the Nd∶YAG1064 nm pump laser with different power， frequency， focal length and other parameters. Then we characterized the microstructure of materials. The results show that different colors of ABS materials have different emission characterisitics. The substrate color of ABS material has a greate incluence on laser emission. Finally we got the optimized parameters， providing a reference for further study.

Keywords： laser marking； ABS； evaluating method； technical parameters

引言激光打標是利用激光束的高能量密度使工件表層材料發(fā)生化學或物理變化，從而在工件表面留下永久性標記的技術[1]。與傳統(tǒng)的電化學、機械等標記方法相比，激光打標具有無污染、高速度、高質量、靈活性大、不接觸工件等優(yōu)點，在工業(yè)、國防、科研等許多領域具有廣泛的用途[2]。近年來，隨著各類激光器的不斷發(fā)展，以及計算機控制技術的發(fā)展和光學器件可靠性的提高，目前激光打標正逐漸取代傳統(tǒng)的標刻方式，其應用越來越廣，并成為行業(yè)的主流技術，甚至形成新的工業(yè)標準[34]。ABS材料即丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（acrylonitrilebutadienestyrene，ABS），是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯組成的三元共聚物。苯乙烯和丁二烯的結合，使得ABS樹脂具有耐熱、表面硬度高、尺寸穩(wěn)定、易于機械加工以及良好的化學性和電性能等優(yōu)異的綜合性能，在電子電器、儀器儀表、汽車、建材工業(yè)和日用制品等領域獲得廣泛的應用[5]。為了使用的需要往往要求透過其表面在基底進行標識，在提高其易辨識性和可追溯性的同時，提高耐用性。激光打標技術在ABS塑料制品標識方面已經得到了越來越廣泛的應用[6]。1激光打標工藝過程

1.1激光打標系統(tǒng)

激光打標系統(tǒng)是激光器、振鏡掃描系統(tǒng)、紅光指示器、控制箱、工控機和電源的高度集成系統(tǒng)，其系統(tǒng)圖1系統(tǒng)組成

Fig.1System Components

圖2經Q調制后產生激光脈沖示意圖

Fig.2Laser pulse after Q modulation

組成如圖1所示。打標系統(tǒng)對材料的作用機理是：作用在材料上的激光束因熱效應使局部材料快速氣化或引起材料性質的改變，從而在材料上留下永久的標記。其效果主要取決于激光束作用在工件材料上的功率密度及作用時間。Nd∶YAG激光打標機的加工工藝過程如下：連續(xù)激光被Q調制后產生的激光脈沖，由安裝有X、Y軸的掃描振鏡控制并沿著圖形和文字的點陣路徑或矢量路徑進行標刻，其光斑距離為兩相鄰激光脈沖間的尺寸，Q調制后產生激光脈沖示意圖如圖2所示。光學儀器第37卷

第2期蔣世磊，等：ABS材料紅外激光打標工藝參數分析

由圖1可以看出，激光束對材料的作用不僅取決于脈沖激光束的峰值功率、平均功率和光斑大小，還取決于激光脈沖在工件材料上的重疊度。其中光斑大小可根據需要選擇合適焦距的掃描鏡來確定，激光束的峰值功率、平均功率可由Q頻率和脈寬（占空比）控制，激光脈沖的重疊度則通過掃描速度及Q 頻率綜合調節(jié)[7]。

1.2打標參數（1）電流：激光電源的電流設置直接關系到激光輸出的能量，能量越大可以適當增加打標的速度和聲光頻率，但不適合精細標刻的要求。（2）頻率：是指單位時間內激光出光數目。相同電流情況下，頻率低時有高的峰值功率，激光輸出能量大，但平均功率過低；頻率高時有高的平均功率，但峰值功率過低，相當于連續(xù)激光輸出。 （3）速度：指單位時間內激光所走的距離。速度一般和頻率有關，當速度太快、頻率太低時線條不連續(xù)。（4）離焦：一般焦點在加工平面以下為正偏焦，焦點在加工平面以上為負偏焦。是否采用離焦取決于打標的材料及其想要的效果。一般標刻加工面必須在焦點上，即光斑直徑最小、能量最高的點。而對于ABS材料要選擇正偏焦，這樣達標效果會更好。2實驗結果與討論在不同材料、不同顏色及不同表面處理方法的工件上，對激光功率、重復頻率、標刻速度、離焦等工藝參數進行組合工藝試驗。對試驗結果進行研究分析，找出各工藝參數單獨作用和共同作用時分別對ABS材料標刻質量的影響規(guī)律，不斷修正工藝參數，以得到滿意的加工效果。實驗采用端泵浦激光打標設備，其主要技術參數為：激光波長1 064 nm、激光功率10 W、場鏡焦距160 mm。試驗所用的各種基底顏色的ABS材料，均對1 064 nm波長激光吸收較好，能得到較好的標刻質量。激光打標工藝參數及圖形對于ABS材料激光打標性能具有顯著的影響，因此可以通過調整工藝參數表1不同顏色ABS材料調試參數

Tab.1Testing parameters of different color of

ABS materials

顏色加工次數/次速度/（mm·s-1）頻率/kHz黑65008藍52003.5紅42202.5粉11003白21202.35

來獲得令人滿意的激光打標效果。分別測試了五種顏色樣品，表1為實驗結果，由表可見，顏色由深到淺參數都呈一定趨勢變化。實驗過程中激光功率為總功率的50%，填充線間距為0.05 mm，結合ABS材料性能分析，打標的最佳效果不宜在焦點處，因此選擇正偏焦0.8 mm處。對這五種樣品從視覺效果來看，對樣品打標的清晰度和醒目度最好。圖3為不同基底ABS材料打示效果圖。

圖3不同基底ABS材料打標效果圖

Fig.3Photos of laser marking with different substrate colors

以上工藝條件下的激光打標效果對比度高，可視為最佳工藝參數，通過肉眼很難判斷，并且每個人的評價標準也相差很大，因此以上數據均取平均值并給出放大后的圖片。圖4為白色ABS材料的3種激光打標效果圖：圖4（a）樣品打標效果顏色發(fā)黑，主要原因是激光能量過大，打點間隔過近（工藝參數為加工

圖4白色ABS激光打標效果評價圖

Fig.4The comparison of white ABS laser marking effect

次數6次、速度300 mm·s-1、頻率5 kHz）；圖4（b）樣品打標效果顏色不均勻，主要原因是激光能量略大，打點速度過慢（工藝參數為加工次數6次、速度400 mm·s-1、頻率8 kHz）；圖4（c）樣品打標效果顏色均勻（工藝參數為加工次數2次、速度120 mm·s-1、頻率2.35 kHz）。圖5為藍色ABS材料的3種激光打標效果圖：圖5（a）樣品打標效果顏色不均勻，對比度差，主要原因是激光能量過大，打點間隔和線填充間距過近（工藝參數為加工次數7次、速度300 mm·s-1、頻率5 kHz）；圖5（b）樣品打標效果顏色不夠飽滿，主要原因是打點間隔和線填充間距過近（工藝參數為加工次數6次、速度200 mm·s-1、頻率5 kHz）；圖5（c）樣品打標效果顏色均勻，對比度清晰（工藝參數為加工次數5次、速度200 mm·s-1、頻率3.5 kHz）。5種不同顏色ABS材料最佳工藝參數如表1所示。

圖5藍色ABS激光打標效果評價圖

Fig.5The comparison of blue ABS laser marking effect

根據實驗可以得到以下結果：（1）深色背景顯示淺色標記深色基底ABS材料在激光照射下會有效吸收激光束能量，表面的黑色顏料在高溫下會蒸發(fā)掉并露出深層白色顏料并在深色ABS材料表面產生對比強烈的淺色標記，一般淺色為黃色或白色，標記越白對比度就越突出，打標效果就越好，對比度主要受頻率影響。由于深色對激光吸收效果強，結合ABS材料本身性能等因素，采用小功率激光，多次加工，這樣打標效果顏色均勻，對比度更為突出。（2）淺色背景顯示深色標記與深色ABS材料容易進行激光打標相比，白色ABS材料的激光打標性能則要差很多。這是因為白色ABS材料對1 064 nm波長的激光吸收性沒有黑色強，不能將大部分光能轉化成為熱能。因此白色ABS需要在打標工藝參數設定、頻率和填充的線間距要求很高的情況下才能打出滿意的激光標記。3結論通過標刻實驗，獲得的不同基底顏色ABS材料的最佳工藝參數，對不同工藝條件下的打標樣品進行了微觀觀測，準確地評價ABS材料的激光打標效果，詳細分析了激光工藝參數對標刻質量的影響。所得結果已經在企業(yè)中投入使用。參考文獻：

[1]曹鳳國.激光加工技術[M].北京：科學出版社，2007.

[2]王建平，李正佳，范曉紅.激光打標系統(tǒng)及工藝參數的分析[J].光學與光電技術，2005，3（3）：3235.

[3]周永飛，趙海峰，黃子強.激光打標系統(tǒng)及工藝研究[J].電子設計工程，2011，19（2）：126129.

[4]袁根福.激光加工技術的應用與發(fā)展現狀[J].安徽建筑工業(yè)學院學報：自然科學版，2004，12（1）：3034.

[5]孟繁博.ABS材料的市場需求和競爭力[J].天津商學院學報，2007，27（6）：7174.

[6]李姣.PMMA/ABS熱塑性塑料激光透射焊接機理和工藝的研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[7]思源.聚碳酸酯和ABS樹脂激光標記的研究[D].上海：上海交通大學，2010.

（編輯：張磊）