肖 彬，黄 焰（武汉软件工程职业学院，湖北武汉，430205）



激光标刻系统技术参数分析

肖 彬，黄 焰
（武汉软件工程职业学院，湖北武汉，430205）

摘要：介绍了激光标刻的应用领域和加工原理，并详细说明目前三种常见激光标刻方式的特点。以振镜扫描式激光标刻为例，分析激光标刻系统技术参数对加工效果的影响，以及分析影响标刻质量的主要参数。

关键词：激光标刻；方式；参数；分析

0 引言

激光标刻是用激光束在各种不同的物质表面上留下永久性标记的一种标刻方法，可加工多种金属及非金属材料。例如，电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、精密器械、首饰饰品、汽车配件等，特别适合应用于要求更精细、精度更高的场合。

激光标刻的原理是通过光能使表层物质蒸发露出深层物质，或是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹，或是通过光能烧掉部分物质，从而显出所需刻蚀的图案、文字等。目前，激光标刻系统充分采用精密机械部件和计算机控制软件，形成整套完整的自动化加工设备，稳定可靠，生产效率高。

1 激光标刻的方式

激光标刻的方式按其工作原理分为扫描式、点阵式和掩膜式三种，它们各有特点，分别介绍如下。

1.1 扫描式

扫描式标刻的方法速度快、加工效果精细、适应性很强，是目前使用最广泛的激光标刻方式。扫描式激光标刻系统由激光器与计算机控制的二维平面扫描系统（振镜）组成，其工作原理是将输入到计算机打标软件中的打标加工信息，按加工要求设置对应的标刻参数，通过硬件转换成控制信号，控制相匹配的光束功率密度和振镜精确方向，使激光聚焦在工件表面上作扫描运动，得到精细的激光打标痕迹。由于二维平面扫描系统几乎都采用的是振镜扫描方式，通过计算机程序控制X轴和Y轴两个振镜沿轴向的精密运动，从而实现激光束对平面内任意点的扫描，标刻所需的图文和字符，不仅标刻速度很快，而且标刻精度非常高。

1.2 点阵式

点阵式标刻只能完成分辨率较低的点阵图文和字符，无法满足目前大多数激光标刻的要求，已经很少采用这种方式。点阵式标刻的工作原理是使用多台同型激光器同时发射激光脉冲，在反射镜和聚焦镜的作用下，使其加工材料表面，形成大小和深度均相同的点，并由这些点组成所要标刻的图形和字符。点阵式标刻一般采用5×7的阵列方式，分辨率只能达到35个像素点，尽管标刻速度最高可达6000字符/秒，但毕竟只能完成分辨率较低的点阵字符，已经无法满足目前对标刻图文高精度的要求。

图1 激光标刻系统技术参数配置界面之一

1.3 掩膜式

掩膜式标刻的优点是能够同时完成整个掩膜板幅面内所有的图形及字符，标刻速度很快，但是受其标刻原理的制约，灵活性较差，激光能量利用率较低。掩膜式标刻的工作原理是将需要标刻的图形及字符镂空雕入掩膜板上，使扩束准直的激光束均匀照射掩膜板，从掩膜板镂空处透射的激光将所需加工的图形及字符标刻在工件表面上。所以，只需一次激光脉冲就能使整个掩膜板上的图形及字符标刻完毕，速度很快，特别适合大批量相同内容的产品加工。若经常加工不同内容的产品，则必须频繁更换掩膜板，加工灵活性较差。而且标刻过程中必须使激光束透射通过掩膜板，大量的激光能量被掩膜板阻挡浪费，激光能量的利用率较低，不太适合目前大多数激光标刻应用。

2 标刻系统主要技术参数分析

目前使用最广泛的扫描式激光标刻系统主要由激光器、聚焦透镜、振镜扫描系统、计算机控制系统、冷却系统组成。通常该系统的主要技术参数有出光功率、激光波长、镜头焦距、标刻范围、脉冲重复频率、标刻速度、标刻最小字符、重复精度等。如图1所示，为激光标刻系统技术参数配置界面示例。

激光器的出光功率决定了系统标刻的能力，出光功率越大，则标刻能力越强，单次加工深度越深，效果越好。激光波长的大小决定了系统适合加工的材料，被加工的材料对不同波长的吸收率均不同，吸收率越高，则越容易被加工，效果越明显。镜头焦距的大小决定了加工平台与镜头的距离范围，根据加工需要选择合适的镜头焦距，通常焦距越大，标刻失真程度也越大。振镜扫描系统的标刻范围决定了系统能够标刻的幅面大小，其实就是振镜控制X轴、Y轴方向扫描的极值，但当标刻范围增大到一定程度后，标刻失真程度增大，加工变形严重。激光脉冲重复频率就是激光脉冲单位时间内发出的次数，与标刻速度一起控制激光光束加工的效果。标刻最小字符和重复精度是用来衡量标刻精细程度的参数，数值越小表明精细程度越高，标刻的图形和文字更精美。

3 影响标刻质量的参数分析

影响激光标刻质量的参数有脉冲宽度、开光延时、关光延时、结束延时、拐角延时等。

脉冲宽度，简称脉宽，指单次激光脉冲中，激光功率维持在一定值时所持续的时间。脉冲宽度越短，激光作用持续时间越短，则激光作用瞬间功率密度越高。开光延时是指激光出光后停留在起点的时间。如果激光出光后停留在起点的时间太短，标刻的第一笔会出现能量不够，标刻效果太弱的现象。关光延时是指指激光关闭前光束所停留的时间。激光标刻过程结束时，不能立刻关闭激光，否则会在结束点产生标刻过轻的现象。结束延时是指指激光标刻结束前光束所停留的时间。与关光延时原理类似，延时时间对标刻质量的影响也很重要。拐角延时是指激光标刻转弯拐角处每走一步光束所停留的时间。当该延时设定过长，有可能在拐角处标刻的点特别大，跟开光延时的过重现象有点相似。

参考文献

［1］关振中.激光加工工艺手册［M］.北京：中国计量出版社，2007.

［2］周永飞，赵海峰，黄子强.激光打标系统及工艺研究［J］.电子设计工程，2011，19（2）：126-129.

［3］肖彬，黄焰.半导体端泵激光打标机工艺参数分析［J］.轻工科技，2016，3：78-79.

［4］赵帆.振镜式激光打标系统及工艺参数分析［J］.软件导刊，2013，12（11）：43-45.

Analysis Technical Parameters of The Laser Marking System

Xiao Bin，Huang Yan
（Wuhan Vocational College of Software and Engineering，HuBei Wuhan，430205）

Abstract：The application field and the processing principle of laser marking system is introduced in this paper.And the characteristics of three common laser marking methods at present are detailed.Taking the galvanometer scanning of laser marking as an example，analysis technical parameters of the laser marking system about the influences of processing effect.And analysis the main parameters of marking quality.

Keywords：laser marking；method；parameters；analysis

基金项目：本文系武汉市属高校产学院项目“基于PostEngineer（PE）平台的激光加工仿真模拟实训系统开发”（编号：CXY201418）的研究成果。

作者简介

肖彬，男，硕士，武汉软件工程职业学院讲师，研究方向为光电子技术，激光加工技术。