針對尼龍殼體的激光標(biāo)刻工藝研究

摘 要：激光標(biāo)刻是產(chǎn)品標(biāo)識的一種重要手段，其特點是在產(chǎn)品上刻上永久性的標(biāo)識。文章針對尼龍殼體激光標(biāo)記出現(xiàn)圖形、字跡模糊，不清晰的問題，在分析產(chǎn)生問題原因的基礎(chǔ)上，通過對不同標(biāo)刻方法、不同標(biāo)刻參數(shù)的多次實驗研究，建立了一種適合于尼龍殼體的激光標(biāo)刻工藝，通過實際工程應(yīng)用表明：該工藝用于多項尼龍殼體產(chǎn)品生產(chǎn)，而且滿足產(chǎn)品標(biāo)識質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：激光標(biāo)刻；尼龍材料；標(biāo)刻工藝

前言

激光打標(biāo)機利用高功率密度的聚焦激光束在不同的物體表面上發(fā)生物理或化學(xué)變化產(chǎn)生的永久性標(biāo)記。對于需長期庫存的產(chǎn)品，原有的銘牌設(shè)計由于在運輸、使用過程中存在一定的脫落風(fēng)險，因此目前大都采用激光標(biāo)刻來實現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)記。我單位采用了楚天公司的CT-DPL激光打標(biāo)機，該機適合于在金屬和部分非金屬材料（如PVC、聚苯硫醚等）表面標(biāo)記，但隨著產(chǎn)品類型的增加，出現(xiàn)了不同材料的產(chǎn)品殼體，特別是部分產(chǎn)品的殼體采用尼龍材料，現(xiàn)有的CT-DPL激光打標(biāo)機在實際工程應(yīng)用中逐漸暴露出一些局限性。

1 問題

清晰的標(biāo)識需要激光打標(biāo)的標(biāo)記和基材尼龍殼體間形成鮮明的對比，因此達到較高的對比度更顯得重要。影響激光標(biāo)刻質(zhì)量的主要包括如下因素：

（1）設(shè)備類型。由于設(shè)備的精度，光源波長等直接影響到激光打標(biāo)的效果。

（2）激光標(biāo)刻參數(shù)。主要由于輸出功率、標(biāo)記頻率、速度等因素影響激光打標(biāo)的結(jié)果。

（3）殼體材料。由于材料對光的反射率，吸收率不同，以及材料的物理和化學(xué)性會影響激光能量吸收，從而影響到激光打標(biāo)的效果。

目前多個產(chǎn)品均采用尼龍殼體，該殼體采用注塑工藝生產(chǎn)，原料為玻璃纖維增強的尼龍塑料粒料。該原料熔融流動性好，具有堅韌、耐疲勞、機械強度較高，但熔程較窄，一般為3℃-4℃，耐熱性不佳。而標(biāo)刻設(shè)備采用的Nd：YAG（釔鋁石榴石晶體）固體激光器，光源波長為1064nm的半導(dǎo)體激光標(biāo)刻機，激光束照射到材料表層時，有三種不同的形勢同時存在，如圖1所示。

圖1 激光照射材料呈現(xiàn)三種形式

材料吸收光能并向內(nèi)層傳導(dǎo)；不同材料有不同的激光能量吸收率和放射率，導(dǎo)致材料表層發(fā)生不同變化，如碳化、雕刻或起泡，從而留下具有視覺差異的標(biāo)記。圖2為標(biāo)刻參數(shù)一定的條件下，尼龍殼體材料發(fā)生不同變化，碳化、雕刻或起泡同時出現(xiàn)，因尼龍內(nèi)部材料分布不均所致，使標(biāo)記的字跡不連續(xù)、模糊，較難辨識。因此對于熔程范圍較窄的尼龍標(biāo)刻效果不是很好。在顯微鏡下可以看到尼龍殼體燒蝕痕跡放大后是一系列島狀碳化物。

圖2 尼龍殼體打標(biāo)效果

在實際生產(chǎn)過程中，由于尼龍殼體本身原料有批次性差異，導(dǎo)致其材料吸收率、反射率有一定不同，從而在相同的標(biāo)刻參數(shù)條件下，在不同批次殼體上標(biāo)記難以達到同一效果。特別當(dāng)尼龍殼體透明度較高時，單獨對尼龍殼體（半透明的淺黃色）標(biāo)刻時字跡尚能分辨，但是產(chǎn)品裝配完成后，因產(chǎn)品殼體內(nèi)部物質(zhì)為黑色，導(dǎo)致與黑色的燒蝕字跡對比度差，字跡難以分辨，不滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

除了材料本身因素外，產(chǎn)品有一定的特殊要求，如電池產(chǎn)品是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，其反應(yīng)過程中使電池殼體處于高溫高壓狀態(tài)下，設(shè)計者必須考慮殼體承受壓力，這就要求標(biāo)記電池殼體深度不能深；同時還存在標(biāo)刻面積范圍小（32mm×13mm）、內(nèi)容多、字體小等諸多因素，這些因素給最佳標(biāo)記參數(shù)的確定、標(biāo)刻方法的建立帶來一定的難度。

2 激光標(biāo)刻工藝

2.1 不同標(biāo)刻方法對比

針對尼龍外殼標(biāo)記問題，采用如下兩種方法進行了實驗：

用自動機械刻字機刻標(biāo)牌。

用刻刀在尼龍外殼上刻字，由于尼龍外殼有微小變形，導(dǎo)致尼龍外殼不是同心圓，刻出的字跡有深有淺，甚至有沒刻出來的字跡。因刻刀轉(zhuǎn)角限制，字的筆畫多，也不易刻出。此方法不易控制，實驗失敗，不采用此方法。

改變尼龍外殼及罩標(biāo)刻的顏色。

尼龍材料在激光的燒蝕作用下形成黑色點狀顆粒，導(dǎo)致標(biāo)記的字跡不連續(xù)、模糊，影響后續(xù)工作。采用改變尼龍外殼標(biāo)刻處顏色的工藝，如圖3所示，從而使字跡清晰。

圖3 改變尼龍外殼標(biāo)記處顏色的工藝

此方法解決尼龍外罩平面打標(biāo)的問題，但是在某產(chǎn)品中，由于標(biāo)刻處為弧面，字數(shù)多，字號小的特點，并且涂有白色的底漆，外觀易磨損，不易于運輸、儲存，其效果仍然不理想，如圖4所示。

通過上述兩種實驗及結(jié)果分析，目前要想在尼龍這類非金屬材料上標(biāo)記，完成產(chǎn)品標(biāo)記任務(wù)，滿足產(chǎn)品標(biāo)識質(zhì)量要求，需要在現(xiàn)有CT-DPL激光打標(biāo)機設(shè)備上改進標(biāo)刻參數(shù)及標(biāo)刻方法。

2.2 改進激光標(biāo)刻工藝

2.2.1 非金屬材料的標(biāo)刻方法

非金屬材料常用的激光標(biāo)刻方法包括碳化法、雕刻方法和起泡法。

（1）碳化法。碳化法只在材料的表面下方改變它的顏色；

（2）雕刻方法。材料的表面區(qū)域通過熔化和蒸發(fā)去除，留下具有凹凸效果的標(biāo)記；

（3）起泡法。將氣體氣泡融入到材料中，使其膨脹并產(chǎn)生浮雕效果。

標(biāo)記效果好壞除了激光光束的質(zhì)量、焦點位置外，還取決于標(biāo)刻參數(shù)：

（1）掃描速度。掃描速度越快，集中在一個點的時間短，不容易形成熱效應(yīng)，不會形成汽化；

（2）工作電流。由于非金屬材料的導(dǎo)熱性能相對較差，電流越大，容易形成熱積累；

（3）標(biāo)記頻率。頻率越低，單位點作用時間短，作用功率高，從而進行深度打標(biāo)。這些標(biāo)刻參數(shù)是相互聯(lián)系，又相互制約，只有合理設(shè)置這些參數(shù)，才能獲得較好的標(biāo)刻效果。

2.2.2 激光標(biāo)刻工藝的改進

基于對尼龍材料影響因素分析，通過激光標(biāo)刻方法及參數(shù)調(diào)整，做了大量實驗摸索。試驗所用樣件為厚度3mm的尼龍殼體，CT-DPL激光機，輸出功率20W，透視焦距139mm，焦斑直徑0.05mm。

（1）標(biāo)刻方法的選擇。激光標(biāo)刻質(zhì)量由以下幾個參數(shù)綜合評定：標(biāo)記對比度、寬度、深度、微缺陷等。起泡法是呈浮雕效果，由于打標(biāo)圖形面積小、內(nèi)容多、字體小及尼龍內(nèi)部材料分布不均勻等特點，此激光標(biāo)刻方法不可行，起泡法的標(biāo)刻效果如圖5所示。

圖4 改變顏色方法的標(biāo)刻效果 圖5 起泡法的標(biāo)刻效果

采用碳化法，燒蝕字跡、圖形呈不連續(xù)點狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致標(biāo)識不清晰，如圖6所示。

因尼龍殼體透明度高，裝入黑色產(chǎn)品后，呈現(xiàn)淺黑色的外殼與燒蝕字跡對比度差，字跡圖形模糊。

采用雕刻法，使殼體表面字跡呈凹凸的效果。由于尼龍材料本身或其主成分以外的雜質(zhì)分布不均勻，吸收率、發(fā)射率不同，導(dǎo)致材料內(nèi)部爆裂和碳化，如圖7所示。

圖6 碳化法的標(biāo)刻效果 圖7 雕刻法的標(biāo)刻效果

本試驗尋找能量、頻率、速度適中，尼龍材料在激光的作用下，采用雕刻法，生成不均勻黑色燒灼物減少，同時字跡、圖形呈現(xiàn)凹的效果。

（2）標(biāo)刻參數(shù)的優(yōu)化。標(biāo)刻質(zhì)量、分辨率與激光能量、頻率、掃描速度、材料性質(zhì)等參數(shù)相互聯(lián)系，同時互相制約。激光工作電流設(shè)置直接關(guān)系到激光輸出能量，在其他參數(shù)不變的條件下，隨著工作電流的逐漸增大，打標(biāo)的寬度隨之增大，深度也相應(yīng)增加，標(biāo)記對比度越大標(biāo)記越清晰；但電流越大，積聚在尼龍殼體表面的能量越多，更易燒焦表面，圖形明顯變黃，邊界模糊不清，甚至發(fā)生燃燒現(xiàn)象。電流逐漸遞增的標(biāo)刻效果如圖8所示。

圖8 電流逐漸遞增的標(biāo)刻效果

當(dāng)電流較小時，如工作電流在7A的條件下，殼體的標(biāo)刻效果不明顯，視覺觀察不出來，激光標(biāo)刻效果極差，不同電流條件下的標(biāo)刻效果如圖9所示。

（a）7A （b）8A （c）9A （c）10A

圖9 不同電流條件下的標(biāo)刻效果

頻率是指單位時間內(nèi)，激光出光數(shù)目的多少。相同工作電流下，頻率低對每個點作用的時間長，相應(yīng)的每個點的標(biāo)刻就會深，頻率高則被標(biāo)記材料由快速汽化逐漸過渡為受熱燒灼，標(biāo)記深度減少，但標(biāo)刻線條的連續(xù)性好如圖10所示。

激光標(biāo)刻速度是指單位時間內(nèi)激光所走的距離，在其他條件相同的條件下，速度越快，激光與材料相互作用的時間就越短，標(biāo)記表面來不及充分吸收激光能量，使材料的氣化量減少，從而標(biāo)記深淺度。

針對尼龍材料的特殊性能，做了大量的標(biāo)刻試驗，根據(jù)大量效果圖尋找最佳標(biāo)刻參數(shù)。當(dāng)激光工作電流為9A，頻率為0.8KHz，標(biāo)刻速度為25mm/s的條件下，尼龍材料生成不均勻黑色燒灼物減少，同時字跡呈現(xiàn)凹的效果，其標(biāo)刻效果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化標(biāo)刻參數(shù)后的激光標(biāo)刻效果

（3）標(biāo)刻工藝的確定。通過上述實驗研究，最終確定了合適的標(biāo)刻工藝，包括標(biāo)刻方法、合適的參數(shù)等。基于該工藝，尼龍材料在激光的作用下產(chǎn)生不均勻的大顆粒黑色燒灼物減少，同時標(biāo)刻痕跡呈現(xiàn)凹型。由于考慮到殼體裝入產(chǎn)品后，內(nèi)部為淺黑色，與標(biāo)記顏色相近，導(dǎo)致字跡不清楚。利用尼龍汽化這一特性，在標(biāo)刻痕跡的凹處涂上白漆，標(biāo)刻字跡、圖形清晰對比度強，但由于尼龍材料中的玻璃纖維分布不均勻的特點，在激光的作用下發(fā)生爆裂和碳化，影響標(biāo)識質(zhì)量。

考慮材料爆裂和碳化呈現(xiàn)黑色，因此決定在標(biāo)刻痕跡的凹處涂上黑漆，并用熱封機在50℃作用下的對涂好的黑漆加熱，使黑漆牢固粘接在標(biāo)刻痕跡凹面內(nèi)，不易脫落。通過多次涂黑漆試驗發(fā)現(xiàn)：這種方法很好地解決了在激光標(biāo)刻過程中尼龍材料爆裂和碳化現(xiàn)象對標(biāo)識質(zhì)量的影響，保證產(chǎn)品外觀合格，且滿足產(chǎn)品標(biāo)識質(zhì)量要求，最終打標(biāo)效果如圖12所示。

圖12 涂抹黑油漆后的標(biāo)刻效果

3 結(jié)束語

文章針對實際工程問題，基于現(xiàn)有激光標(biāo)刻設(shè)備，明確了針對尼龍殼體標(biāo)記的激光標(biāo)刻方法，尋找到合適的標(biāo)刻工藝參數(shù)，解決了實際工作中尼龍殼體激光標(biāo)記出現(xiàn)圖形、字跡模糊，不清晰的問題。該標(biāo)刻工藝已用于多項產(chǎn)品生產(chǎn)，其均滿足產(chǎn)品的標(biāo)識質(zhì)量要求。

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