文/ JACK PENNUTO JR.，通快集團美國分公司激光技術(shù)銷售總監(jiān)

圖1：齒輪樣品展示了白色標記和黑色深雕的高對比度標記方案，便于機器視覺系統(tǒng)識別。

用于識別和追溯的激光打標，是替代傳統(tǒng)標記工藝的優(yōu)秀解決方案。

隨著激光參數(shù)、功能和波長范圍的增加，激光打標技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以有效取代傳統(tǒng)的機械標記法和噴墨標記法。在圖1的案例中，使用激光對齒輪進行深雕，或?qū)﹁T件進行打標，而不再使用點針打標（dot peening）。激光具有其他技術(shù)無法比擬的靈活性和性能，通過簡單的激光設(shè)備參數(shù)調(diào)整，即可實現(xiàn)無接觸、高對比度的打標或表面清洗。

激光打標背景

隨著產(chǎn)品可追溯性的需求不斷增長、單件產(chǎn)品的標記數(shù)據(jù)量顯著增加，以及越來越多的產(chǎn)線運營者意識到需要使用激光打標來替代其他標記方式，所有這些因素都在推動著激光打標市場的快速發(fā)展。

通過優(yōu)化激光器的脈沖能量和峰值功率，可以有效平衡熔融影響和消融效應。是否選取最優(yōu)波長，將會影響到激光與材料標記表面的工藝機理及加工效果。雖然許多激光打標機仍在使用近紅外（IR）光源（通常是CO2激光器、半導體泵浦固體激光器DPSS或光纖激光器），但在近紅外波長加工效果欠佳的有機物或高反射材料表面打標，綠光和紫外光則能提供更多優(yōu)化選擇。除了波長外，還需要綜合考慮激光的脈沖能量、脈寬和重復頻率，以保證打標過程的高效性。要考慮所有這些參數(shù)，讓打標工藝的優(yōu)化變得頗具挑戰(zhàn)性。好消息是，先進的打標軟件可以快速調(diào)整這些參數(shù)，從而使這些參數(shù)選擇變得簡單且高效。

對于金屬打標應用來說，納秒范圍內(nèi)的固體激光打標機可產(chǎn)生退火標記，由熱驅(qū)動的氧化物在生長中會發(fā)生顏色變化。對于一些特殊應用，如醫(yī)療儀器的啞光黑色標記，超短脈沖（USP）激光打標機可以實現(xiàn)激光誘導周期性表面微結(jié)構(gòu)（LIPSS）工藝，從而實現(xiàn)材料表面的“冷加工”。由于LIPSS的加工參數(shù)有了很大的擴展，所產(chǎn)生的標記在數(shù)百次高壓滅菌周期測試中，其抗褪色性表現(xiàn)非常出色。

盡管有多種處于可見光波段的激光器迅速發(fā)展，以及超短脈沖激光打標的使用范圍越來越廣，但是近紅外納秒激光打標系統(tǒng)，尤其是光纖激光系統(tǒng)，憑借其多樣化的脈沖能量和重復頻率，在激光打標市場中仍占據(jù)著重要的市場份額。最近的技術(shù)發(fā)展也不斷支持著激光打標的更多應用擴展。

零件識別是所有類別的打標中最為常見的一種應用。與噴墨打標機相比，激光打標機具有明顯的優(yōu)勢，它的標記更加持久，不需要油墨固化時間，也不需要消耗品。對于這兩種技術(shù)而言，被打標的表面通常是平整的（二維），以確保標識信息的可讀取性。激光設(shè)備可以直接完成二維打標，只要打標區(qū)域保持在焦平面內(nèi)，即可獲得高重復性的效果。

打標變得復雜化

但是，對非平面（三維）零件或具有明顯輪廓的零件進行打標，又會怎樣呢？鋁鑄件和鋼制動力總成部件，就是這類打標應用的兩個案例。點針打標一直是標記這類零部件的首選解決方案，因為該工藝相對便宜，可以耐受典型的鑄造和加工環(huán)境，并且能夠充分滿足可讀取性需求。 

激光退火打標是汽車發(fā)動機部件的一個優(yōu)化選擇。一方面，標記將不會在材料中形變，所以不存在尺寸問題。此外，由于使用了潤滑劑，退火后的標記可以長期保持可讀取性。另一方面，在齒輪上打標通常使用的是深雕工藝，所以標識可以經(jīng)得起后續(xù)的熱處理和研磨步驟。既然如此，為什么激光深雕工藝在此類傳統(tǒng)應用中的市占率有限呢？較慢的加工速度是主要原因，要知道，傳統(tǒng)的激光深雕速度通常比機械雕刻慢。

然而，最近功率更高、靈活性更強的激光打標機正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)機械打標設(shè)備，并在多個競爭領(lǐng)域脫穎而出。“例如在鋁鑄件上，激光的高峰值功率會產(chǎn)生一個粗糙的黑色表面。之后再運行一個低功率、高重復率的清洗過程后，會使周圍表面變得光滑，并產(chǎn)生更高的對比度。”通快激光技術(shù)中心應用經(jīng)理Florian Kiefer說，“有了它，你就能得到一個點針打標技術(shù)所無法達到的對比度。”

除了更高的對比度外，黑色激光標記的可讀取性也同樣出色，與點針打標機不同，它甚至不會產(chǎn)生任何磨損。在考慮資金投入時，由于黑色標識的可讀取性更強，本身對比度更高，因此可以省去耗材和相關(guān)的維護時間，并且能使用較低價的機器視覺系統(tǒng)來平衡激光器的較高成本（見圖2）。

圖2：在塑料材料上進行二維平面打標，作為膠粘標簽或噴墨標記的替代品。

在這些輪廓表面進行打標時，真正的三維打標尤為重要。Kiefer強調(diào)：“失真問題是二維碼標記中的一大短板。在曲面上進行打標時，你需要從不同的角度讀取它，并確保你的標記在相機上看起來是統(tǒng)一的。如果你直視它，它看起來會是扭曲的，但它在相機上看起來卻是正確的。”

無論是在球體、桿體還是在不連續(xù)的曲面上進行打標，激光標記系統(tǒng)都需要有一個快速反應的z軸，以便在整個打標視場中保持焦平面（見圖3）。要做到這一點，需要的不僅僅是激光設(shè)備，更需要高功能的打標軟件來解析零件的幾何形狀，并根據(jù)需要調(diào)整標記。當需要在復雜的表面上準確標記二維碼時，從偏離識別的方向上可能并無法準確辨別，但從機器視覺系統(tǒng)的正確識別角度來看時，卻可以清楚地識別出該部件的代碼，然后再進入下一個制造步驟。 

圖3：激光器內(nèi)的快速Z軸功能，用于聚焦定位，在3D表面上無畸變地打標。

deflection mirror——偏轉(zhuǎn)鏡

workpiece——工件

focusing lens——聚焦鏡

fast z-axis——快速z軸

continuous positioning of the lens due to the position of the deflection mirror for focus position correction——根據(jù)偏轉(zhuǎn)鏡的位置，對透鏡連續(xù)定位，以實現(xiàn)焦點位置的校正

總結(jié)

隨著當今技術(shù)的發(fā)展，激光打標正擴展到更多不同表面標記的應用場景中，其中一部分應用取代了傳統(tǒng)的機械標記工藝。靈活的激光打標機，可以在整個重復頻率區(qū)間，提供高峰值功率和穩(wěn)定的功率水平。有了這樣的系統(tǒng)，我們可以有效地完成退火打標、清洗和深黑標記。通過有效結(jié)合激光性能與三維打標軟件，激光器的用途得以擴展，即使在不平整的表面上（如鑄件上），也能使用激光技術(shù)，標記出無圖像失真的二維碼，從而使視覺系統(tǒng)能夠在制造過程中精準地讀取并識別零部件。隨著工業(yè)生產(chǎn)者對激光技術(shù)和先進打標軟件的了解越來越深入，激光打標的應用也將不斷增加。