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激光标刻应用详解

2009-04-23 15:37
华静一
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        对于工具、工件和组件进行激光标刻加工,具有很多方面的应用优势。这种加工方式可产生恒久的标刻表面,其工艺灵活多样,不仅安全可靠,而且十分环保;它不仅能够在平面、曲面以及形状怪异的物体上游刃有余,而且适合在各种不同材料,甚至在其它标刻加工可能造成破损的材料上使用。

  激光标刻是一种非接触式的热加工方法,它根据激光束所产生的热量摧毁工件表面的部分材料。顾名思义,从“激光,Laser”这个英文缩写词的本义(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激辐射式光频放大器)可知,激光是以高强度激光束的形式来吸收和发射能量、继而实现光频放大的。

  各种激光系统都包括某种受激介质,这种介质的原子可被激发而产生自发光。

  受激介质可以是某种混合气体——比如二氧化碳或氦氖气体;可以是半导体基材——比如激光二极管;可以是液体染料激光;也可以是某种晶体——比如钕-钇铝石榴石(Nd:YAG)、钕-氟化钇锂晶体(Nd:YLF)或红宝石。激光还具有一种称为泵浦的激发能量源,也即介质的原子。泵浦源通常以放电方式工作,采用高强度的光源或来自其它激光器的光束。

  固体钕-钇铝石榴石激光可在各种金属与非金属材料的标刻加工中使用,而且通常都采用光束控制型激光标刻。

  这些激光标刻系统能使射到这些材料表面的激光束发生偏转,就好比是铅笔划在纸张上一样。不同之处在 于,铅笔所堆积的是铅,而高强度激光则摧毁工件的材料,从而形成具有一定反差的图像。

  系统的控制

  为了达到要求的效果,光束控制型钕-钇铝石榴石激光标刻系统提供了多种热反应控制方式供操作者选用,既能采用手动操作,也可以利用计算机进行控制。

  通过增加或降低氪弧灯的电流,可以调节激光输出的功率。随着电流的改变,激光输出功率和增益率也会相应地发生变化。 钕-钇铝石榴石激光系统的组成。

  一旦以激励灯电流建立一定的光频放大总量之后,操作人员就可以用Q开关调节激光的脉冲频率。Q开关能有效地把激光输出分割成脉冲光束。理解这一现象的最佳途径,是把Q开关激光看成是一个“光学电容器”。激光的能量在不发射光束的各脉冲之间得到储存,这与电容器十分相似。

  如果采用Q开关的脉冲式激光,那么输出的脉冲光束之中包含了绝大部分储存的能量。

  如果将脉冲频率设为低频(1kHz),则相邻脉冲之间充电时间长,因而产生的峰值脉冲功率相当高,而脉冲宽度非常窄(约为100毫微秒)。如果将脉冲频率提高到10 kHz,则由于相邻脉冲之间充电时间的缩短而降低了峰值功率。

  低频、大功率的峰值脉冲可迅速升高工件表面的温度,材料即刻就气化蒸发,仅有极少热量传导到零件的内部。激光脉冲频率越高,产生的峰值功率就越低;这样的话,如果材料发生气化现象,就会形成更多的热传导。与此同时,在给定时间内,如果有更多的脉冲,那么加工表面的热传导也会上升。

  Q开关的脉冲频率可能是热加工最重要的控制变量。脉冲频率可随激发光电流的变化,实现手动或部分程控的功能。当激光的输出功率与激发光的电流和脉冲频率相匹配之后,操作者就必须确定光束的移动速度——即标刻的速度。

  理想条件下的每一种生产应用,都需要以最大的速度运行,以获得最高的产量。而对于激光标刻来说,光束的移动速度是热加工的另一个重要变量,必须加以正确设置,以获得要求的加工效果。

  深度标刻的典型深度在0.002英寸以上,必须以多个激光脉冲射到标刻线的每一点上,才能达到所需的加工深度。为此,就必须降低激光束的行进速度。如需进行浅标刻,则可增大移动速度、乃至达到系统的最大值。此时,脉冲频率设定值将呈现相应的热扩散性,最终的标刻效果可能无法达到美观的要求。一般的应用规则是,激光脉冲至少应具有50%的重叠率,被加工表面才会形成一条连续的标刻线。 由Telesis Technologies公司所开发的Express10EV激光系统(见上图),可以在高反射硅片上雕刻高分辨率的纤细文字。

  材料因素

  钕-钇铝石榴石激光能兼容各种激光标刻材料。某些材料的特性会影响标刻加工的效果,这些特性包括反射率、吸收特性、导热性、工件的颜色和表面光洁度。

  激光必须被吸收,才能产生热量。如果被加工的材料对激光具有很强的反射性,就需要增大激光的功率,降低脉冲频率,从而获得更高的峰值功率。另外,还可以降低光束移动的速度。

  对于反光性材料,可能就根本无法进行标刻加工。

  多数的金属材料都可以吸收钕-钇铝石榴石激光,其波长为1.06毫米,因而很容易进行标刻加工。金的反射性很强,因而需要更大功率的激光。有的有机材料(比如木材和纸张),几乎能100%反射光线,因此无法标刻。

  激光的种类

  密封型二氧化碳激光:采用表面变色方式,标刻成本较低。适用于塑料、涂料漆、油墨、陶瓷和其它非金属材料。

  Stab二氧化碳激光:适用于非金属材料表面的深层修整。

  二极管泵浦钕-钇铝石榴石固体激光器(DPSS):光束质量高,脉冲稳定性好。适用于细小字的深度透雕。

  脉冲掺钕-钇铝石榴石激光:非常高的峰值脉冲功率,可用于深度标刻和宽幅标刻。

  三倍频钕-钇铝石榴石激光:属于紫外线波段,可产生微雕所需的最窄线宽;具有多种特种材料所需的最适宜波长。

  二倍频钕-钇铝石榴石激光:属于绿色可见光波段,适用于细线宽的小字雕刻;最适用于金、多种合成材料和塑料。

  Q开关钕-钇铝石榴石激光:峰值功率高,脉冲宽度窄,适用于深度透雕/雕刻。最适用于多数金属材料和许多非金属材料。

  如果存在反射率的问题,则采用二倍频激光所获得的标刻效果更好一些。这种激光的波长为532纳米,属于绿色可见光。采用波长为10.6微米(远红外区域)的二氧化碳激光标刻系统,也能得到令人满意的效果。

  各种材料的吸收率都随温度而发生变化。由于激光标刻过程会升高材料的表面温度,因而吸收率呈显著增加的材料,就可能无法进行标刻加工。比方说,有些塑料具有较陡的吸收率-温度曲线,因而几乎就无法获得美观的标刻效果。激光束刚照射到这些材料上,表面温度和热量吸收率就急剧上升了。更糟糕的是,由于这些材料吸收了大量的能量,温度迅速升高,因而造成热量吸收率的进一步上升。

  仅需毫秒级的片刻工夫,这些材料就发生了气化蒸发。如果降低激光的功率,并尝试补偿和控制加工过程,就有可能使热量无法被充分吸收,实现对初始温升的控制,塑料对激光的照射就不会产生显著的变化了。如果问题变得严重,则可以选择二倍频的钕-钇铝石榴石激光或二氧化碳激光,以获得更易于控制的吸收率-温度曲线。

  导热性强的材料并非一概不能进行激光标刻,只是达到要求效果的难度更大一些。必须妥善调节激光的参数,以补偿材料自身“散热”的问题。

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