文/ JACK PENNUTO JR.，通快集團(tuán)美國(guó)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(biāo)記和黑色深雕的高對(duì)比度標(biāo)記方案，便于機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別。

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

隨著激光參數(shù)、功能和波長(zhǎng)范圍的增加，激光打標(biāo)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以有效取代傳統(tǒng)的機(jī)械標(biāo)記法和噴墨標(biāo)記法。在圖1的案例中，使用激光對(duì)齒輪進(jìn)行深雕，或?qū)﹁T件進(jìn)行打標(biāo)，而不再使用點(diǎn)針打標(biāo)（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(jiǎn)單的激光設(shè)備參數(shù)調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)無接觸、高對(duì)比度的打標(biāo)或表面清洗。

激光打標(biāo)背景

隨著產(chǎn)品可追溯性的需求不斷增長(zhǎng)、單件產(chǎn)品的標(biāo)記數(shù)據(jù)量顯著增加，以及越來越多的產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)者意識(shí)到需要使用激光打標(biāo)來替代其他標(biāo)記方式，所有這些因素都在推動(dòng)著激光打標(biāo)市場(chǎng)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(yīng)。是否選取最優(yōu)波長(zhǎng)，將會(huì)影響到激光與材料標(biāo)記表面的工藝機(jī)理及加工效果。雖然許多激光打標(biāo)機(jī)仍在使用近紅外（IR）光源（通常是CO2激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器DPSS或光纖激光器），但在近紅外波長(zhǎng)加工效果欠佳的有機(jī)物或高反射材料表面打標(biāo)，綠光和紫外光則能提供更多優(yōu)化選擇。除了波長(zhǎng)外，還需要綜合考慮激光的脈沖能量、脈寬和重復(fù)頻率，以保證打標(biāo)過程的高效性。要考慮所有這些參數(shù)，讓打標(biāo)工藝的優(yōu)化變得頗具挑戰(zhàn)性。好消息是，先進(jìn)的打標(biāo)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(jiǎn)單且高效。

對(duì)于金屬打標(biāo)應(yīng)用來說，納秒范圍內(nèi)的固體激光打標(biāo)機(jī)可產(chǎn)生退火標(biāo)記，由熱驅(qū)動(dòng)的氧化物在生長(zhǎng)中會(huì)發(fā)生顏色變化。對(duì)于一些特殊應(yīng)用，如醫(yī)療儀器的啞光黑色標(biāo)記，超短脈沖（USP）激光打標(biāo)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)周期性表面微結(jié)構(gòu)（LIPSS）工藝，從而實(shí)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(kuò)展，所產(chǎn)生的標(biāo)記在數(shù)百次高壓滅菌周期測(cè)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(biāo)的使用范圍越來越廣，但是近紅外納秒激光打標(biāo)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(fù)頻率，在激光打標(biāo)市場(chǎng)中仍占據(jù)著重要的市場(chǎng)份額。最近的技術(shù)發(fā)展也不斷支持著激光打標(biāo)的更多應(yīng)用擴(kuò)展。

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

打標(biāo)變得復(fù)雜化

但是，對(duì)非平面（三維）零件或具有明顯輪廓的零件進(jìn)行打標(biāo)，又會(huì)怎樣呢？鋁鑄件和鋼制動(dòng)力總成部件，就是這類打標(biāo)應(yīng)用的兩個(gè)案例。點(diǎn)針打標(biāo)一直是標(biāo)記這類零部件的首選解決方案，因?yàn)樵摴に囅鄬?duì)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(biāo)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件的一個(gè)優(yōu)化選擇。一方面，標(biāo)記將不會(huì)在材料中形變，所以不存在尺寸問題。此外，由于使用了潤(rùn)滑劑，退火后的標(biāo)記可以長(zhǎng)期保持可讀取性。另一方面，在齒輪上打標(biāo)通常使用的是深雕工藝，所以標(biāo)識(shí)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(yīng)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(jī)械雕刻慢。

然而，最近功率更高、靈活性更強(qiáng)的激光打標(biāo)機(jī)正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)機(jī)械打標(biāo)設(shè)備，并在多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域脫穎而出。“例如在鋁鑄件上，激光的高峰值功率會(huì)產(chǎn)生一個(gè)粗糙的黑色表面。之后再運(yùn)行一個(gè)低功率、高重復(fù)率的清洗過程后，會(huì)使周圍表面變得光滑，并產(chǎn)生更高的對(duì)比度。”通快激光技術(shù)中心應(yīng)用經(jīng)理Florian Kiefer說，“有了它，你就能得到一個(gè)點(diǎn)針打標(biāo)技術(shù)所無法達(dá)到的對(duì)比度。”

除了更高的對(duì)比度外，黑色激光標(biāo)記的可讀取性也同樣出色，與點(diǎn)針打標(biāo)機(jī)不同，它甚至不會(huì)產(chǎn)生任何磨損。在考慮資金投入時(shí)，由于黑色標(biāo)識(shí)的可讀取性更強(qiáng)，本身對(duì)比度更高，因此可以省去耗材和相關(guān)的維護(hù)時(shí)間，并且能使用較低價(jià)的機(jī)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(jìn)行二維平面打標(biāo)，作為膠粘標(biāo)簽或噴墨標(biāo)記的替代品。

在這些輪廓表面進(jìn)行打標(biāo)時(shí)，真正的三維打標(biāo)尤為重要。Kiefer強(qiáng)調(diào)：“失真問題是二維碼標(biāo)記中的一大短板。在曲面上進(jìn)行打標(biāo)時(shí)，你需要從不同的角度讀取它，并確保你的標(biāo)記在相機(jī)上看起來是統(tǒng)一的。如果你直視它，它看起來會(huì)是扭曲的，但它在相機(jī)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(jìn)行打標(biāo)，激光標(biāo)記系統(tǒng)都需要有一個(gè)快速反應(yīng)的z軸，以便在整個(gè)打標(biāo)視場(chǎng)中保持焦平面（見圖3）。要做到這一點(diǎn)，需要的不僅僅是激光設(shè)備，更需要高功能的打標(biāo)軟件來解析零件的幾何形狀，并根據(jù)需要調(diào)整標(biāo)記。當(dāng)需要在復(fù)雜的表面上準(zhǔn)確標(biāo)記二維碼時(shí)，從偏離識(shí)別的方向上可能并無法準(zhǔn)確辨別，但從機(jī)器視覺系統(tǒng)的正確識(shí)別角度來看時(shí)，卻可以清楚地識(shí)別出該部件的代碼，然后再進(jìn)入下一個(gè)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(biāo)。

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(duì)透鏡連續(xù)定位，以實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的校正

總結(jié)

隨著當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展，激光打標(biāo)正擴(kuò)展到更多不同表面標(biāo)記的應(yīng)用場(chǎng)景中，其中一部分應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的機(jī)械標(biāo)記工藝。靈活的激光打標(biāo)機(jī)，可以在整個(gè)重復(fù)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(biāo)、清洗和深黑標(biāo)記。通過有效結(jié)合激光性能與三維打標(biāo)軟件，激光器的用途得以擴(kuò)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(biāo)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(zhǔn)地讀取并識(shí)別零部件。隨著工業(yè)生產(chǎn)者對(duì)激光技術(shù)和先進(jìn)打標(biāo)軟件的了解越來越深入，激光打標(biāo)的應(yīng)用也將不斷增加。