高清晰激光打標尼龍的研究

徐亮 周勇

【摘 要】激光打標是新一代的精密加工標識方法。文章針對激光打標尼龍方法，從打標的原理、分類、材料的配方設計及激光打標機的參設設置等方面進行了介紹和探討，并對高清晰激光打標尼龍的行業前景進行了展望。

【關鍵詞】激光打標；尼龍；波長；電流；頻率

【中圖分類號】TN249 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0036-03

0 引言

由于社會分工的日益細化和對產品區分的要求，產品除了必須具有優良的品質外，對產品進行信息化記錄和追溯也成為保障產品品質的重要一環。而產品體積微型化、外形多樣化等也使得傳統的印刷、熱塑、機械雕刻等方式逐漸不能滿足行業發展的要求。尼龍材料作為最常用的塑料類別，也不再是普通的改性方式而涌現出了很多特殊的改性和應用領域，激光打標就是其中發展最快的。

激光打標是新一代的精密加工標識方法。與傳統的標記方式相比，具有可通過與計算機設計相結合，高效自動化地快速標記出各種文字、符號、圖形，不受標記產品外形、尺寸的限制，自由性好，標記長期使用不會掉色、褪色，并且加工方式無污染、環境友好等優點，在汽車、航空航天、電子電器等領域都有了越來越多的應用。

1 激光打標尼龍的原理和優勢

激光打標的原理為由激光發生器生成高能量的連續激光光束，聚焦后的激光作用于承印材料，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，通過控制激光在材料表面的路徑，從而形成需要的圖文標記。激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產生內應力。

激光打標尼龍具有以下優勢：{1}激光打標時，制件打標過程中并不與其他設備直接接觸，沒有力的作用，熱影響較小，制件不易變形，沒有磨損。{2}激光打標尼龍是在尼龍制件打標區域進行的化學層面的標識，并非簡單地進行物理覆蓋，因此標記具有耐久性好，長期使用不會出現褪色、掉色等問題。{3}激光標記精細度高，線條可以達到毫米到微米量級，采用激光標刻技術制作的標記，對其仿造和更改都是非常困難的，具有較好的防偽功能。{4}激光打標的方式靈活性高，可以在不同形狀的制件上進行標識，不受制件平整度的限制。{5}設計方便、多樣化，可以通過電腦和軟件的配合，進行各類文字、符號、圖形的設計和標識。{6}生產效率高，適合快速連續化的大批量生產。{7}激光打標具有加工無污染，環境友好的特點，與傳統油印、絲印相比，不需要油墨、涂料、酸劑等，清潔高效。

2 激光源的類別

從常規的角度來看，普通尼龍即可以進行激光打標，但是存在著標識模糊、圖案深淺不一、精細度不夠等問題，對此本文進行了相關的研究和測試。

2.1 激光的類別

活性媒介和光學結構的不同產生了各種類型的激光，同時也影響這激光的光束質量和操作可變性。最常用的主要有以下2類（見表1）。

2.2 不同顏色的激光標識

2.2.1 淺色激光標識

淺色的激光標識是激光光束照射在深色的尼龍基板上，吸收大量能量產生了物質的分解產物，引起材料發泡，形成淺色的標識。發泡也分為開孔和閉孔2種，閉孔結構更為穩定、持久。其中，顏色越白亮則標識越清晰。

2.2.2 深色激光標識

深色的激光標識是激光光速照射在淺色的尼龍基板上，材料炭化所形成的產物，但是在炭化過程中往往伴隨著一定程度的發泡，因此發泡程度需要有效的控制，以保證標識顏色的清晰度。

激光打標原理如圖1所示。

2.3 尼龍激光打標劑的研究進展

2.3.1 無機類激光打標劑

默克公司開發的專利產品的Lazerfl air系列激光打標劑適用于尼龍材質，該激光打標劑主要由珠光助劑和激光敏感助劑組成，主要成分包含具有低折射系數、金屬氧化物涂覆的云母，金屬氧化物可以是氧化鈦、氧化鐵、錫銻氧化物和錫銦氧化物等。適用激光打標機光源類型為CO2激光、光線激光、Nd固體激光，波長范圍為308～1 064 nm。

“泰科納”也設計出由多種陽離子鹽化合物與無機氧化物組成的激光打標助劑。多陽離子鹽化合物具有氧合陰離子、有機羧酸或碳酸陰離子，粒徑要求越細越好；無機氧化物是光敏感性物質，在激光照射時起到促進著色化合物形成的作用，可以是硅酸鹽及硅酸鹽礦物及氧化鈦、氧化銻、氧化錫等，對于結晶性的尼龍材料非常適用的。

“帝斯曼”的氧化銻和珠光助劑復合的激光打標劑也是類似以上原理。

2.3.2 有機和無機物激光打標劑

“日本三菱”研制出了以銻化合物和鹵素系有機化合物組成的激光打標劑，專用于尼龍材質。銻化合物可以是三氧化銻、四氧化銻、五氧化銻等；鹵素系化合物主要是溴化聚苯醚。

“中國石化”也研制出了以粉末橡膠與炭黑混合制得的復合激光打標劑，標記顏色鮮明白亮。

2.4 激光標識的評價方法

激光標識的清晰與否，常規情況下目視即可簡單判斷，但存在一定的主觀性與個體差異性，不能很客觀地體現實際狀況，因此我們選用了具有統一標準的光學色差來進行評判。

色差，即2種顏色的差別。色差值表示顏色的差別大小，用ΔE表示。色差值一般評價顏色的差別，廣泛應用于塑料、印刷等行業。ΔE的計算公式如下：

ΔE=（ΔL2+Δa2+Δb2）1/2

其中：L表示亮暗，“+”表示偏亮，“-”表示偏暗；a表示紅綠，“+”表示偏紅，“-”表示偏綠；b表示黃藍，“+”表示偏黃，“-”表示偏藍；原始標準樣為L0、a0、b0；激光標識后樣為L1、a1、b1。

分別計算ΔL=L1-L0，Δa=a1-a0，Δb=b1-b0。ΔL為正表示顏色偏白，ΔL為負表示顏色偏黑；Δa為正表示顏色偏紅，Δa為負表示顏色偏綠；Δb為正表示顏色偏黃，Δb為負表示顏色偏藍；對于激光標識我們可以通過ΔE和ΔL，從標識整體色差和明暗度的變化綜合評價標識的清晰度。

2.5 參數調節

在尼龍基材相同的情況下，通過激光參數的優化設定，可以獲得更好的標識效果。通常，可以調節的參數包括打標掃描速度、電流強度、脈沖頻率、功率、脈沖寬度、焦距、填充密度等。參數的調整是相互關聯的。當需要得到更清晰的標識時，可以提高頻率和降低打標速度，也可降低頻率和提高打標速度。

其中，激光打標機的打標速度、電流強度和脈沖頻率對打標清晰度的影響最大。

2.5.1 打標速度

打標速度是單位時間內激光掃描的距離。打標掃描的速度越快，激光在材料表面作用的時間就越短。當掃描速度加快時，激光對尼龍材料的作用時間縮短，材料表面來不及充分吸收激光能量，因此標識的深度變淺，對比度降低，圖形清晰度降低。

2.5.2 電流強度

不同的電流強度下，激光標識差異很大。對于尼龍材料來說，電流強度越大，脈沖峰值功率和平均功率都增大，光束的能量越高，激光在材料表面熱作用加劇，刻蝕的標識就越明顯，對比度增大，清晰度越高。但是，當電流強度達到一定程度后，激光對材料表面的熱作用以汽化為主，標記深度和清晰度變化不大，因此電流強度不宜過高。

2.5.3 脈沖頻率

脈沖頻率是每秒鐘產生的觸發脈沖數目，也稱之為脈沖重復頻率。當脈沖重復頻率升高時，激光的峰值功率降低，激光的平均輸出功率會升高，當激光脈沖峰值較大時，標記深度增大；當脈沖重復頻率繼續升高時，激光的脈沖峰值會更低，標識深度將降低。經測試，對于尼龍材料，在3～4 kHz的范圍內對標識深度是最佳設置，激光標識深度最大，對比度最高。

3 激光打標尼龍行業的前景展望

相對于傳統標識行業，激光打標具有更經濟、更高效、無污染、表面設計更靈活、標識持久不脫落等優點。通過改性的高清晰尼龍打標產品，配合相應的打標工藝參數，可以在深淺不同的尼龍基材上得到清晰度大幅提高、整體色澤均勻、邊緣銳度極高、耐久度很高的激光標識。如今，激光打標尼龍已經在汽車、電器等行業大量應用，并不斷得到拓展。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]