激光打标机的原理及应用

CO2激光打标机的原理及应用

一、介绍

激光技术已被广泛应用到军事、医疗、工农业生产、通讯、科研等各个领域。激光加工技术在切割、焊接、表面处理、打标、打孔、快速成型、精密加工等领域得到了广泛的应用,取得了良好的效果。利用了激光很好的单色性、相干性、方向性以及高能量密度等不可比拟的优点,并与计算机数控技术的结合,使激光加工系统具有优质、高效、低成本的特点,是其他加工技术所无法比拟的。激光加工有着不接触加工工件,保证被工件的原有精度、加工速度快、无燥声、激光加工速度快、无燥声、聚焦焦斑能量密度高,适合于细微加工等优点。

激光打标机是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记，是集光、电子、机械和自动控制于一体的光机电一体化系统。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质,从而刻出精美的图案、商标和文字，激光打标机主要分为,CO2激光打标机,半导体激光打标机、纤激光打标机和YAG激光打标机,目前激光打标机主要应用于一些要求更精细、精度更高的场合。应用于电子元器件、集成电路(IC)、虹电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材。

图1：激光打标系统控制流程图

本文的主要目的是介绍一款CO2激光打标机的原理进行阐述。

二、激光打标系统的分类

激光打标按打标方式分为以下几类

（1）掩模式打标

掩模式打标应用投影原理。掩模式打标系统由激光器、掩模板和成像透镜组成,其工作原理如图所示。在一块模板上,首先将待打标的文字、条码、图像等雕空制作做成掩模,方法是将待打图样在一块模板上制作成掩模板。激光经过望远镜扩束,均匀的投射在己经做好的掩模板上,激光可以透过镂空的部分,而没有镂空的部分被挡住了。这样再将带着掩模板上的

图形信息的激光经过透镜成像到加工表面焦面上,就可以在加工表面留下与掩模板镂空部分相同的信息。掩模式打标速度快,每一次脉冲可完成一个标记。特别适用与大批量产品的流水线。缺点是需要制作掩模板,灵活性差,能耗较高。

图2：掩模式打标原理图

（2）阵列式

阵列式打标系统是将数台激光器按照一定的排布排成阵列,使激光器触发并联即同时发射脉冲,这些经过排布的激光束经过透镜聚焦到被加工面,使被加工表面发生物理或化学反应,便将排布的信息留在了加工表面上。其原理图如图所示。阵列式打标的字符和图案都是由这些点组成的,一般是横笔划个点,竖笔划个点,这些点构成的阵列。阵列式打标具有独有的特点,其打标速度最高可达字符秒,如此高的速度成为了在线打标的理想选择。其缺点是只能标记分辨率的点阵字符,这个分辨率是无法标记汉字的。

图3：阵列式打标原理图

（3）扫描式

扫描式打标系统由计算机、激光器和扫描机构三部分组成。其工作原理和扫描式

打印机类似。计算机是接收信息的载体,需要打印的文字或图案予存到计算机中,计算机将指令发送给运动控制系统和激光器,运动控制系统和激光器按照程序互相配合。激光束经过光学系统变换将能量聚焦到被加工物表面并做扫描运动,在加工工件表面形成计算机中处理好的标记信息。图为一种典型的扫描式激光打标机原理图。常见的扫描式激光打标机有两种结构形式一种是机械扫描式,另一种是振镜扫描式。机械扫描式打标系统通过机械运动的方式对一部分光学系统进行一坐标的平移,来改变激光束聚焦点在工件表面的位置。振镜

扫描式是将激光束入射到由运动控制系统控制的两面反射镜振镜上,计算机通过程序控制运动控制系统,运动控制系统带动反射镜进行一定角度的旋转,用两个反射镜便可以使聚焦后的激光焦点沿、轴进行扫描运动,在材料表面上留下计算机程序中处理好的标记。在扫描式打标系计算机强大的图形处理软件使系统具有极大的灵活性,使系统具有作图效率高,图形精度好,无失真等特点,极大的提高了激光打标的质量和速度。

图4：扫描式激光打标机原理图

三、激光打标机工作原理

如图1所示:激光打标机由电源系统、激光器、冷却系统、光学扫描系统、Q开关、聚焦系统等组成。交流电源分别给计算机、Q开关电源、冷却循环泵、激光电源、He- Ne激光器等供电。半反镜、YAG聚光腔、全反镜组成了谐振腔产生激光,经过Q开关的调制后形成一定频率峰值功率很高的脉冲激光,经过光学扫描、聚焦后到达工作台表面。工作台的表面可以上下移动,以适应不同厚度的工件,工件表面处于激光的焦平面上,计算机通过专用的打标控制软件输入需要标刻的文字及图样,设定文字及图样的大小,总的标刻面积,激光束的行走速度和需要重复的次数,扫描系统就能在计算机的控制下运动,操控激光束在工件上标刻出设定的文字和图样,现在的软件具有自动图像失真矫正功能,能够实现精密图像的标刻。冷却系统中的去离子循环水冷却Q开关和聚光腔使之保持一定的温度,防止它们烧坏。He- Ne 激光器有两个作用:一是指示激光的加工位置,二是光路调整时提供指示。

图5：激光打标机的系统组成

四、C02激光器的工作原理

CO2激光器输出波长为娜,其能量转换效率高且不消耗工作介质。激光器按气体的工作形式可分封闭式和循环式按激励方式分电激励,化学激励,热激励,光激励与核激励等。我们知道分子有三种不同的运动形式,分子中的电子存在运动分子中电子的运动决定了电子能态分子中原子的振动,在分子中原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动,这个振动也决定了分子的振动能态分子转动,分子会在空间中做连续地旋转运动,分子的这种旋转决定了其转动能态。分子运动的复杂决定了分子的能级也很复杂. CO2激光的激发过程激光器主要的工作物质由口,氮气,氦气三种气体组成。其中口是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。氦气的加入可以加速能级热弛预过程,有利于激光能级及的抽空。氮气在口激光器中起能量传递作用,为激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。分子激光跃迁能级如图所示。

图6：CO2分子激光跃迁能级图

CO2激光器的激发条件放电管中输入几十或几百的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子, CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。