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光纤激光器应用于金属雕刻

2009-06-22 10:31
Hsiao Chen
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        陆明  英国SPI激光公司深圳代表处

        金属雕刻是激光打标领域的一项典型应用,即用激光光束将特定部分的金属材料去除,从而实现想要达到的效果或标识。在金属雕刻应用中,激光光束就像雕刻时使用的凿刀,将多余的金属材料凿掉。激光金属雕刻分为浅雕和深雕两种。通常浅雕的雕刻深度为5~25祄;深雕的深度一般较深,具体深度取决于不同的材料、所用激光的功率以及雕刻的时间。

        深雕主要用于雕刻磨具、印章等。一般来讲,雕刻深度与被雕刻材料对激光的吸收情况、激光的功率以及激光在被雕刻材料上的作用时间等因素有关。深雕通常需要较长的作用时间。

        在各种金塑材料的表面,都可以进行深雕和浅雕,比如雕刻标识码、公司商标以及更加复杂的图像等。

        激光金属深雕的优点

        激光在金属雕刻方面较传统的机械式金属雕刻具有很多优点,其中最大的优点是激光雕刻无需与被雕刻的工件接触,因此省去了许多夹具和刀具。另外激光雕刻的高精度特性,也特别适用于复杂图形的加工。

        光纤激光器是过去5年中发展起来的一项新技术,具有可靠高、免维护以及光斑模式好等特点,已经在雕刻领域获得了广泛应用。与其他类型的激光器相比,光纤激光器由于具备脉宽短、重复频率高、峰值功率大等优点,在雕刻加工时,大大减少了热效应带来的负面影响,使得加工品质更加卓越,加工效率也大大提高。

        G3脉冲激光器

        与基于Q开关技术的光纤激光器不同的是,SPI激光公司生产的10~30W G3(第三代)脉冲激光器(见图1和图2)采用主振荡功率放大(MOPA)技术,即种子光的输出功率经过初级和二次放大后输出,得到所需要的输出功率,增益能量由二极管泵浦模块提供。由于其输出频率是由种子光的频率决定的,而种子激光的频率可通过电调制的方式直接控制,因此该激光器具有连续输出(当种子光的输出为连续输出时)和脉冲输出(当种子光的输出为脉冲输出时)两种运作模式。在脉冲模式下,其重频率范围为1~500kHz,峰值功率可达16kW,单脉冲能量可达1mJ,脉冲宽度可达10nm,并且内置有25种波形可供选择(见图3 和表1)。平均功率、峰值功率、脉冲频率和脉冲宽度等参数可根据应用需求调整,从而极大地拓宽了该激光器在雕刻方面的应用范围,极大地提高了加工效率。

图1:非晶硅薄膜太阳能电池 图2:非晶硅薄膜太阳能电池的层叠结构

图1:非晶硅薄膜太阳能电池 图2:非晶硅薄膜太阳能电池的层叠结构

基于主振荡功率放大(MOPA)技术的G3脉冲激光器示意图

图2:基于主振荡功率放大(MOPA)技术的G3脉冲激光器示意图。

SPI脉冲激光器内置25种波形可供选择

图3:SPI脉冲激光器内置25种波形可供选择。

表1:SPI 脉冲激光器技术指标

 表1:SPI 脉冲激光器技术指标。

        另外,G3脉冲激光器的另一个特点是首脉冲的上升时间可通过预值电流(Simmer Current)的设定而改变,预值电流的设定范围为0~100%,当预值电流设定值为80%~90%时,首脉冲可即时达到所需强度 (见图4)。

        在下面的实际应用中,将对SPI脉冲激光器的特点作进一步介绍。在金属雕刻时,需要较大的单脉冲能量和较高的峰值功率,深雕时需要较低的重复频率,从而使得激光光点具有较好的重叠性,因此加工速度较一般的打标相对较慢。

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图4:预值电流关闭(Simmer Current=0%,红色)和预值电流开启(Simmer Current=80%,蓝色)时的脉冲输出时域图

 图4:预值电流关闭(Simmer Current=0%,红色)和预值电流开启(Simmer Current=80%,蓝色)时的脉冲输出时域图。

        实例1:雕刻银饰品

        用SPI脉冲激光器可在银饰品表面雕刻出复杂的装饰图形 (见图5),在此应用中使用的激光器为SPI公司的G3 20W脉冲激光器,在雕刻中激光器的具体设置与雕刻效果如表2所示。

用SPI脉冲激光器雕刻银饰制品

图5:用SPI脉冲激光器雕刻银饰制品。

用SP-20P-HS激光器雕刻银饰品的具体设置及雕刻效果

 表2:用SP-20P-HS激光器雕刻银饰品的具体设置及雕刻效果。

        经过试验发现,单脉冲能量以及峰值功率对金属雕刻的深度和雕刻效率起到关键作用,特别是对于高反射材料(比如银、铜或铝等)尤其关键。 SPI-20P-HS 激光器在波形0(脉冲频率为25kHz)设置时的峰值功率可高达16kW,比基于Q开关技术的光纤激光器高出约60%,脉冲能量可达0.8mJ。另外,光斑模式对于金属雕刻质量也起到十分重要的作用。根据一般的工艺要求,加工后的银饰制品要经过打磨抛光处理,而这一工序可通过步骤2得以实现,即用高频率、高速度、低功率的激光束进行抛光处理,从而大大简化了工艺过程,提高了效率,使得银饰制品更加美观。

        实例2:雕刻工具钢和不锈钢

        用SPI脉冲激光器可在工具钢和不锈钢表面进行雕刻(见图6), 在此应用中使用的激光器为SPI公司的G3 30W脉冲激光器,在雕刻中激光器的具体设置与雕刻效果如表3所示。

用SPI脉冲激光器雕刻不锈钢

图6:用SPI脉冲激光器雕刻不锈钢。

用SP-30P-HM激光器雕刻不锈钢的具体设置及雕刻效果

表3:用SP-30P-HM激光器雕刻不锈钢的具体设置及雕刻效果

        加工工具钢或不锈钢时,雕刻深度主要由单脉冲能量以及峰值功率决定。但是较大的单脉冲能量以及较高的峰值功率,容易使加工后的金属氧化变黑,影响加工效果。控制金属氧化变黑的有效方法是使用短脉冲,使金属在氧化前快速气化。在上述步骤2中,SPI-30P-HM 激光器在波形4(脉冲频率为300kHz)设置时的脉冲宽度仅为15ns,从而能有效地控制金属氧化变黑,使得加工后的制品达到打磨抛光处理的效果。

        从上面的雕刻实例可以看出,通过对同一台激光器进行不同的设置,根据材料的特点,选择不同的波形、脉冲频率等参数,可分步骤地对材料进行精细加工,从而得到最佳雕刻效果。

        SPI脉冲激光器的最大特点是用户可对激光器的输出波形、脉冲宽度、脉冲频率、单脉冲能量,以及平均输出功率等参数进行选择,从而针对不同材料选择一组最佳参数组合,以达到所需要的加工效果。

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