Что можно маркировать лазером и как это сделать?

Было бы здорово, если бы кто-то мог создать «книгу рецептов», в которой были бы даны конкретные настройки для лазерной маркировки любого типа материала на любом типе или модели системы лазерной маркировки. Удачи найти это. Различные системы лазерной маркировки от разных производителей могут давать разные результаты на одном и том же материале по нескольким причинам. Эти причины могут включать длину волны лазера, качество лазерного луча, размер сфокусированного лазерного пятна, ширину лазерного импульса, диапазон частоты импульса, устройства калибровки лазера и возможности программного обеспечения для маркировки.

 

Вместо того, чтобы пытаться определить конкретные настройки лазера для конкретных типов материалов, было бы лучше попытаться понять, какое влияние различные настройки лазера оказывают на эти материалы.

 

Несколько лет назад я написал пару статей о лазерной маркировке, которые были опубликованы в Photonics Online. Если вы новичок в лазерной маркировке, чтение этих статей может быть хорошим местом для начала: https://www.photonicsonline.com/doc/introduction-to-fiber-laser-marking-0001.

 

За некоторыми исключениями, системы лазерной маркировки представляют собой волоконные лазеры с длиной волны 1064 нм или CO2-лазеры с длиной волны 10 600 нм. Волоконные лазеры работают со всеми металлами, покрытыми, окрашенными или голыми, а также с несколькими неметаллами, такими как некоторые виды пластмасс. Лазеры CO2 работают с деревом, стеклом, органическими материалами, большинством пластмасс и окрашенными поверхностями. Существует некоторое совпадение между типом лазера и материалом, но, вообще говоря, один тип лазера намного лучше другого для конкретного материала.

 

Применение CO2-лазера обсуждать немного проще, так что давайте начнем с него. В большинстве систем маркировки CO2 используются CO2-лазеры с закрытым лучом с РЧ-возбуждением. Эти лазеры обычно оптимизированы для частоты импульсов 5 кГц, и большинство пользователей никогда не отклоняются от нее. В Jimani мы иногда отклоняемся от этой частоты импульсов CO2 5 кГц, особенно для маркировки стекла, но большинство пользователей этого не делают. Регулировка выходной мощности лазера и скорости сканирования в зависимости от работы — это основные настройки, которые изменяются для маркировки CO2. Размер сфокусированного лазерного пятна зависит от фокусного расстояния объектива и от того, используется ли телескоп с расширением луча. Объектив с большим фокусным расстоянием приведет к большему сфокусированному пятну.

 

Применение волоконного лазера может быть немного сложнее в настройке, потому что есть больше переменных для работы. Типичные переменные настройки включают частоту импульсов, выходную мощность лазера, скорость маркировки и, если ваш волоконный лазер имеет возможности переменной ширины импульса, ширину импульса. Настройки для объектива с одним фокусным расстоянием могут вообще не работать с объективом с другим фокусным расстоянием. Вместо того, чтобы пытаться найти эту несуществующую книгу рецептов лазерной настройки, я думаю, что пользователям лучше понять, что делают различные настройки лазера и как они влияют на маркировку.

 

Ширина импульса

 

Если волоконный лазер настроен на частоту импульсов 50 кГц, а линия длиной 1 дюйм рисуется со скоростью 1 дюйм в секунду, то лазер будет применять 50 000 отдельных лазерных импульсов при рисовании этой линии. Все волоконные лазеры имеют максимально допустимое ограничение энергии импульса, чтобы предотвратить внутреннее повреждение лазера, обычно около 1 мДж энергии на отдельный импульс. Волоконный лазер мощностью 50 Вт, например, достигает 1 мДж энергии при частоте импульсов около 50 кГц. Если программное обеспечение управления маркировкой и микропрограмма лазера допускают частоту импульсов ниже 50 кГц в приведенном выше примере лазера, энергия на импульс все равно останется на уровне 1 мДж на отдельный импульс, но средняя мощность уменьшится, поскольку импульсов в секунду меньше. Если частота импульсов увеличивается выше 50 кГц, энергия на импульс будет уменьшаться для каждого отдельного импульса, хотя, на маркируемую деталь будет воздействовать больше лазерных импульсов в секунду, что обычно приводит к большему нагреву детали. Максимальное удаление материала произойдет, когда частота импульсов будет установлена ​​так, чтобы лазер производил максимальную энергию (1 мДж) за импульс. Приведенная ниже таблица может несколько отличаться для разных моделей лазеров разных производителей, но в целом она точна.

 

Мощность лазера Максимальная частота импульсов для получения максимальной энергии 1 мДж на импульс

 

20 Вт 20 кГц

 

30 Вт 30 кГц

 

50 Вт 50 кГц

 

100 Вт 100 кГц

 

Важно понимать, что вне зависимости от номинальной мощности лазера все они ограничены 1 мДж энергии в импульсе. Лазер мощностью 100 Вт производит в 5 раз больше импульсов мощностью 1 мДж в секунду, чем лазер мощностью 20 Вт.

 

Приведенная выше таблица относится к лазерам с фиксированной шириной импульса с длительностью импульса около 100 нс на импульс. Все лазеры с переменной шириной импульса поставляются с диаграммой, которая обеспечивает оптимальную частоту для максимальной энергии импульса для каждой отдельной длительности импульса.

 

Выходная мощность лазера

 

Управление выходной мощностью лазера — это вопрос контроля того, насколько сильно лазер «накачивается». Меньшая накачка означает меньшую выходную энергию на отдельный лазерный импульс. Более высокая накачка приводит к увеличению выходной энергии на отдельный лазерный импульс до тех пор, пока не будет достигнута максимально допустимая энергия импульса в 1 мДж.

 

Скорость маркировки

 

Скорость, с которой зеркала сканирующих гальванометров перемещают лазерный луч по заготовке, является скоростью маркировки. Более высокая скорость маркировки дает лазерному свету меньше времени для обработки детали, а более низкая скорость маркировки дает лазеру больше времени для обработки детали. Существуют некоторые практические ограничения полезной скорости маркировки. Несмотря на то, что гальванометры могут двигаться с очень высокой скоростью при маркировке длинной прямой линии, в большинстве случаев маркировка не состоит из длинных прямых линий. Большая часть маркировки на самом деле состоит из множества коротких строк, таких как строки заполнения в букве высотой 0,25 дюйма. Для каждой линии, которая размечается, гальво должен расположить лазерный луч в начальной точке линии, сделать паузу и дать некоторое время для установления, начать ускоряться и рисовать линию, начните замедляться ближе к концу строки, а затем остановитесь в конце строки и переместитесь в начало следующей строки. Поскольку большинство этих линий будут очень короткими, независимо от того, насколько быстро гальво прикажут двигаться, они могут ускориться только до такой степени, прежде чем им снова придется замедляться. Полезная скорость маркировки на большинстве гальванических систем будет ограничена примерно 40 IPS, и после этого время маркировки не уменьшится.

Ширина импульса

 

Ширина импульса может быть описана довольно легко. Короткие импульсы позволяют лазеру вести себя как скальпель, а длинные импульсы позволяют лазеру вести себя как нож для мяса. Вы не добьетесь большого успеха в маркировке .005” глубоко в огнестрельном оружии с очень короткой шириной импульса, а также вы не добьетесь большого успеха в тонкой маркировке на тонкопленочном материале с длинной шириной импульса.

 

Методы маркировки

 

Вообще говоря, существует три основных метода маркировки, которые можно выполнять с помощью волоконного лазера:

 

Абляция

 

Гравировка

 

Маркировка пятнами (часто называемая отжигом)

 

Лазерная абляция — это удаление или испарение материала с поверхности какого-либо материала или подложки. В идеале лазерный свет поглощается поверхностью детали и минимально проникает внутрь детали. Некоторыми примерами абляционной маркировки могут быть удаление анодированного покрытия с поверхности алюминиевой подложки или удаление металлической пленки с внешней стороны куска пластика с покрытием. В обоих этих примерах цель состоит в том, чтобы получить контрастную метку на поверхности детали без гравировки на ней (как показано ниже).

 

a-bootlw

Настройки лазера, которые можно использовать для абляционной маркировки, отличаются от тех, которые можно использовать для гравировки. Для абляционной маркировки обычно используются более высокая скорость маркировки (скорость, с которой сканирующие зеркала перемещают лазерный луч по поверхности детали) и более низкая выходная мощность лазера. Если прикладывать слишком большую мощность лазера в течение слишком долгого времени, результатом будет удаление материала с металлических подложек и вплавление в пластиковые подложки. Некоторые материалы настолько чувствительны, что необходимы более короткие лазерные импульсы. Ширина импульса — это время, в течение которого лазер включен для каждого лазерного импульса. Помните, лазер отмечает линии, создавая серию перекрывающихся импульсов, а не испуская непрерывный луч света. Волоконные лазеры с переменной шириной импульса позволяют контролировать время каждого лазерного импульса и способны создавать очень короткие лазерные импульсы. Поскольку мощность равна энергии/времени, сокращение времени каждого лазерного импульса может увеличить пиковую мощность, воздействующую на поверхность материала лазером, при одновременном уменьшении времени, в течение которого энергия лазера воздействует на материал. Сочетание высокой пиковой мощности и короткой длительности импульса идеально подходит для маркировки абляционного типа.

 

Я не хочу сказать, что волоконные лазеры с переменной шириной импульса необходимы для абляционной маркировки на всех материалах. Волоконный лазер с фиксированной шириной импульса обеспечивает длительность лазерного импульса 100-120 наносекунд, что подходит для подавляющего большинства приложений абляции, а также обеспечивает достаточную ширину лазерного импульса для других типов маркировки.

 

Лазерная гравировка. Для некоторых продуктов или приложений требуется, чтобы маркировка проникала глубже в материал. Обычно это ограничивается металлическими подложками, так как более глубокая гравировка пластиковых подложек обычно приводит к неприемлемому плавлению. Более глубокая лазерная гравировка полезна, когда поверхность детали подвержена износу или истиранию или если выгравированная метка требует заливки цветом. Некоторые приложения, такие как маркировка огнестрельного оружия, имеют спецификацию глубины, чтобы затруднить удаление маркировки.

 

Увеличенная мощность лазера и более низкая скорость маркировки являются отличительными чертами глубокой лазерной гравировки. Наш опыт в Jimani показывает, что более глубокая лазерная гравировка лучше всего достигается при скорости маркировки около 5-10 дюймов в секунду с использованием нескольких проходов для удаления тонких срезов материала до достижения желаемой глубины. Использование очень низких скоростей маркировки для удаления большого количества материала за один проход приведет к зашлакованному дну в желобе гравировки и скоплению шлака по краям гравировки. Несколько лазерных проходов с разными углами заполнения на более высоких скоростях позволяют снимать больше материала и очищать желоба и кромки. Большее количество проходов лазера приводит к более глубокой маркировке до тех пор, пока лазерный луч не начнет выходить из фокуса или испаряющийся материал не сможет выйти из очень узкой желоба.

 

Я начал предыдущую статью, заявив, что лазерная маркировка подобна сжиганию листьев с помощью увеличительного стекла. Если лист не находится в фокусе линзы увеличительного стекла, то концентрация солнечного света недостаточно высока, чтобы поджечь лист. То же самое и с лазерной гравировкой. Если подложка находится достаточно далеко от фокальной точки линзы системы лазерной маркировки/гравировки, значит концентрация лазерного излучения недостаточна для сжигания или испарения материала. Это расстояние определяет глубину резкости системы лазерной маркировки и является комбинацией фокусного расстояния линзы и качества лазерного луча, попадающего в эту линзу. Глубина гравировки в металле, скажем, 0,010–0,015 дюйма, достижима при установке одной линзы, но помимо этого было бы лучше немного изменить положение линзы. Я выгравировал. 250 дюймов плюс в стальную подложку (как показано ниже), но это было достигнуто многократным изменением положения объектива, и это заняло много времени. С практической точки зрения волоконный лазер, предназначенный для маркировки и гравировки общего назначения, вероятно, не подходит для этого.

 

im55

Ограничением для глубокой гравировки на металле обычно является ширина гравировки. Представьте, что гравюра состоит из строки текста с символами высотой 0,060 дюйма. Ширина линии каждого символа будет довольно узкой (скажем, 0,010 дюйма или около того), и по мере того, как гравировка становится глубже, вновь испаренный материал имеет тенденцию собираться на боковых стенках выгравированного желоба, а не выдуваться из желоба. Системы лазерной резки решают эту проблему, направляя высокоскоростные струи воздуха через сопла, расположенные рядом с центром фокусирующей линзы, но этот метод не работает с линзами F тета, используемыми в системах лазерной маркировки с управляемым лучом. Практический предел для глубокой гравировки узкой ширины линии составляет 0,020 дюйма или около того.

 

Маркировка пятнами. Если размер пятна сфокусированного лазерного луча достаточно велик для определенных типов материалов, лазер будет нагревать материал, а не удалять его или гравировать. На таких материалах, как нержавеющая сталь, титан и твердый хром, тепло от лазерного луча вызывает образование оксидного слоя. Многократные проходы лазера по материалу делают оксидный слой темнее или допускают тонкие вариации цвета. Если используется волоконный лазер с переменной шириной импульса, экспериментируя с шириной лазерного импульса, мощностью, скоростью маркировки, плотностью заполнения и частотой импульса, можно получить различные цветовые оттенки, начиная от черного, синего, красного и зеленого. Цветовая маркировка звучит заманчиво, но она сопряжена со своими проблемами. Различные материалы могут давать очень разные результаты, и существует бесконечное количество настроек комбинации, которые можно регулировать.

 

Большая часть маркировки морилкой делается просто для получения непроникающей темной метки на подходящих материалах, упомянутых выше. Пятнистая маркировка привлекательна, постоянна и не загрязняет окружающую среду. Этот метод часто используется для идентификации медицинских инструментов или инструментов, поскольку не используются чернила, краски или химические вещества. Пятна проникают в поверхность подложки на микроны, и, хотя маркировка не стирается со временем или при обращении, ее можно отшлифовать или стереть. Это не лучший метод для деталей, которые имеют маркировку на «износных» поверхностях.

 

Секрет хорошей маркировки пятен заключается в правильном размере сфокусированного пятна лазера. Большинство систем волоконной лазерной маркировки имеют оптическую систему доставки луча, которая предназначена для фокусировки лазера в очень маленьком пятне; слишком мал для маркировки пятен. Один из методов увеличения размера лазерного пятна состоит в том, чтобы просто немного отодвинуть подложку от фокальной точки линзы. Этот метод хорошо работает для плоских поверхностей, хотя «не в фокусе» может быть немного субъективным. Техника не в фокусе плохо работает с круглыми или радиусными деталями. По мере того, как расфокусированный луч перемещается по радиусу, он либо начинает возвращаться в фокус, либо теряет фокус. Идеальным решением является фокусировка лазерного луча на правильном размере пятна в фокусе линзы. Используя эту технику, лазер будет поддерживать правильный размер пятна по всей глубине фокуса линзы. В Jimani мы достигаем этого оптическим путем, пропуская лазерный луч через реверсивный расширитель луча, прежде чем он попадет в фокусирующую линзу. Путем «деколлимации» лазерного луча мы можем увеличить размер сфокусированного пятна, а также увеличить глубину резкости через линзу. Это увеличивает расходы на систему, но эти расходы полностью оправдываются улучшенными характеристиками пятен.

 

Цветовая маркировка. Цветовая маркировка зависит от контроля толщины оксидного слоя пятен и лучше всего выполняется с помощью лазера MOPA с переменной шириной импульса. В Интернете есть много красивых изображений частей, отмеченных цветом, но нет информации о 5 или 6 часах настройки, которые ушли на набор настроек для этой части, и 5 или 6 часов, которые будут задействованы в следующей части. . Цветовая маркировка – процесс темпераментный и трудоемкий. Мы не делаем никакой цветовой маркировки в части нашего бизнеса, потому что никто не хочет платить за все время настройки, связанное с созданием цветовой маркировки на детали.