武文一　李菊麗　秦錄芳

【摘 要】本文采用單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)亞克力板、即時(shí)剪紙、木板和玻璃等材料在適合雕刻范圍內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)比較、分析雕刻效果，找出每種材料最佳雕刻工藝參數(shù)，為CO2激光雕刻的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考，具有一定的實(shí)際意義。

【關(guān)鍵詞】CO2激光器；激光雕刻；工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)： TS932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0251-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.121

激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)重大科技成果，它的出現(xiàn)深化了人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)展了光為人類服務(wù)的領(lǐng)域。目前，激光加工已廣泛地應(yīng)用于切割、打孔、焊接、表面處理、快速成形、電阻微調(diào)、激光雕刻等方面[1-4]。激光雕刻是80年代興起的一門嶄新的工業(yè)加工技術(shù)，由于其加工速度快、字跡清晰永久、無(wú)污染、無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍工、機(jī)械、電子、汽車、廣告美術(shù)等行業(yè) 。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的標(biāo)準(zhǔn)工藝之一。

激光雕刻有三種方式：CO2激光雕刻， Nd：YAG激光雕刻，準(zhǔn)分子激光雕刻。這三種激光雕刻技術(shù)都在某些方面體現(xiàn)了它們各自的特性和優(yōu)點(diǎn)， 所以有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。YAG激光器在金屬材料加工中具有優(yōu)勢(shì)， 準(zhǔn)分子激光在微細(xì)、高精密加工方面具有優(yōu)勢(shì)，而非金屬材料如塑料、木材、布匹、橡膠等， 對(duì)CO2激光波長(zhǎng)吸收率較高， 利用CO2激光器雕刻具有優(yōu)勢(shì)。CO2激光器波長(zhǎng)10.6μm，能有效地在木材、有機(jī)玻璃板、塑料薄板等進(jìn)行文字圖案的切割與雕刻，可雕刻出任意圖形，在雕刻過(guò)程中沒有切屑，沒有工具磨損與噪聲，加工的邊緣沒有撕切和絨毛，具有操作簡(jiǎn)單、工序少、生產(chǎn)周期短、勞動(dòng)強(qiáng)度低、字體、字型規(guī)范豐富等一系列優(yōu)點(diǎn) 。激光雕刻參數(shù)研究有利于提高雕刻加工時(shí)的效率。本文通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)亞克力板、即時(shí)剪紙、木板和玻璃等材料在適合雕刻范圍內(nèi)的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用GM-960A型CO2激光雕刻機(jī)，它主要由CO2激光管、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)、導(dǎo)軌、電源、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等組成。最大雕刻范圍900mm×450mm，雕刻工件最大厚度20mm，雕刻速度0～80mm/s， 機(jī)械分辨率0.025mm， 重復(fù)精度0.01mm，激光器功率>60w。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

所用的材料有亞克力板（厚度為2mm）、木板、即時(shí)剪紙、玻璃等。其中亞克力板用途比較廣泛，可用于裝飾、紀(jì)念品等；其次是即時(shí)剪紙，它主要用廣告牌設(shè)計(jì)、大型條幅粘貼、室內(nèi)裝飾等方面；木板主要是在它的表面雕刻圖案和文字，可以制作出較美麗的文化用品；由于玻璃屬于脆性材料，所以對(duì)此僅作雕刻和打標(biāo)方面的研究。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

激光雕刻機(jī)在雕刻時(shí)影響加工效率的主要是速度和光強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)采用單因素法研究適合不同材料的雕刻速度和光強(qiáng)。

亞克力板，先設(shè)定一個(gè)具體的光強(qiáng)值來(lái)改變速度，把所得到的結(jié)果記錄到預(yù)先制作的表格中，每次變化量為10%。溝邊和清掃分開進(jìn)行，對(duì)每一個(gè)樣本貼上標(biāo)號(hào)以便進(jìn)一步研究。

即時(shí)剪紙等紙類，由于厚度較小，在改變光強(qiáng)和速度參數(shù)時(shí)每次變化量為1%，同時(shí)還要改變輸入激光雕刻機(jī)軟件中雕刻深度的數(shù)值，也取每次變化量1%。

木板，采用和亞克力板相同的實(shí)驗(yàn)方案。

玻璃，屬于脆性材料，不做溝邊研究，清掃時(shí)也采用與亞克力板相同的實(shí)驗(yàn)方案。

根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，觀察樣件的雕刻效果。目測(cè)可判斷一部分雕刻效果，效果接近的使用儀器檢測(cè)，如用顯微鏡觀察清掃筆畫失真程度，用測(cè)量表面粗糙度的儀器測(cè)量溝邊樣本輪廓的粗糙度等。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞克力板雕刻參數(shù)實(shí)驗(yàn)與分析

2.1.1 亞克力板陰刻清掃

陰刻清掃，激光頭的運(yùn)動(dòng)方式選擇單向水平雕刻；輸入圖片采用PLT格式，此類文件屬于矢量圖，它是根據(jù)筆畫顏色不同而進(jìn)行不同的屬性設(shè)置，用于勾邊的實(shí)質(zhì)是將圖形的外框直接轉(zhuǎn)換為激光的雕刻路徑，清掃方式的實(shí)質(zhì)同勾邊一樣的，是將圖形填色部分通過(guò)填滿等距離平行線而實(shí)現(xiàn)的。

雕刻機(jī)的性能，主要由雕刻速度、雕刻強(qiáng)度（激光光強(qiáng)）和光斑大小而決定。利用雕刻機(jī)面板調(diào)節(jié)速度，也可利用計(jì)算機(jī)的輸出軟件來(lái)調(diào)節(jié)，范圍1%～100%，調(diào)整幅度是1%；雕刻強(qiáng)度指照射到材料表面激光的強(qiáng)度，對(duì)于特定的雕刻速度，強(qiáng)度越大，切割或雕刻的深度就越大?？衫玫窨虣C(jī)面板調(diào)節(jié)強(qiáng)度，也可利用計(jì)算機(jī)的輸出軟件來(lái)調(diào)節(jié)。在1%到100%的范圍內(nèi)，調(diào)整幅度是1%。光束光斑大小可利用不同焦距的透鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)。小光斑的透鏡用于高分辨率的雕刻，大光斑的透鏡用于較低分辨率的雕刻，并可用于矢量切割。本實(shí)驗(yàn)光斑大小已經(jīng)調(diào)好，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不變，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅調(diào)節(jié)雕刻速度和強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)。由于雕刻速度過(guò)快時(shí)，激光頭的空行程比較大，雕刻的效果差，效率很低，所以速度大于60%不做記錄。表1為亞克力板雕刻參數(shù)清掃時(shí)速度和光強(qiáng)關(guān)系數(shù)據(jù)記錄。在顯微鏡下觀察三種具有代表性的樣本，如圖1所示。

由這些顯微鏡圖片可以看出，光強(qiáng)小速度大時(shí)清掃不完全，出現(xiàn)高低不一致的突起；光強(qiáng)太大速度太小時(shí)，清掃的邊沿被過(guò)度熔化，只有在合適的參數(shù)才能清掃出較好的效果，此參數(shù)是：光強(qiáng)80%，速度30%。

2.1.2 亞克力板陽(yáng)刻清掃

陽(yáng)刻清掃，輸入圖片一種是用BMP格式的文件，另一種是在CorelDRAW軟件中制作出PLT格式的文件，此格式文件用于陽(yáng)刻可以留出邊框，有利于刻章或工藝品。激光頭的運(yùn)動(dòng)方式選擇單向水平雕刻。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出這樣的結(jié)論：陽(yáng)刻清掃光強(qiáng)為80%，速度30%為最佳的參數(shù)。

2.1.3 亞克力板勾邊

亞克力板勾邊實(shí)驗(yàn)見表2。

由表2結(jié)果可知，速度大于3%時(shí)，無(wú)論什么樣的光強(qiáng)都不能刻透，所以在溝邊時(shí)的速度要小；刻透的樣件邊沿輪廓的粗糙度也不一樣，用測(cè)量表面粗糙度的方法進(jìn)一步測(cè)量樣本勾邊效果（表3）。

由表中數(shù)據(jù)得知，相同的速度時(shí)光強(qiáng)越大勾邊時(shí)邊沿的質(zhì)量越好；相同的光強(qiáng)時(shí)速度越小勾邊時(shí)輪廓的質(zhì)量越好。一般勾邊時(shí)取光強(qiáng)為80%，速度為2%。

2.2 即時(shí)剪紙雕刻參數(shù)

即時(shí)剪紙?jiān)趶V告牌設(shè)計(jì)、大型標(biāo)語(yǔ)粘貼、室內(nèi)裝飾等方面應(yīng)用很廣泛，以前用針型刻字機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在用激光雕刻來(lái)做大大減少了成本。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，在切割即時(shí)剪紙時(shí)機(jī)器光強(qiáng)10%，速度5%較為合適。

2.3 木版雕刻參數(shù)實(shí)驗(yàn)與分析

木版雕刻是在木版的表面刻一些圖案和文字，木版的厚度不大時(shí)還可以切割，但是厚度大時(shí)由于炭化較嚴(yán)重會(huì)使木板邊沿變黑。對(duì)木材而言，理想情況是被激光去除的材料瞬間氣化，加工速度快，熱量傳輸不到未加工的基材，雕刻面無(wú)炭化，僅有輕微發(fā)暗和釉化。實(shí)際加工過(guò)程中，由于受激光輸出功率波動(dòng)或光束模式的影響，在瞬間氣化的同時(shí)會(huì)伴有燃燒過(guò)程。由實(shí)驗(yàn)得知，木版厚度<3mm時(shí)可以被刻透并且邊沿不會(huì)發(fā)黑。有許多激光雕刻公司就是利用激光雕刻的這種識(shí)別能力強(qiáng)、雕刻精度高的特點(diǎn)來(lái)制造文化禮品，圖3是一個(gè)用激光雕刻機(jī)雕刻出來(lái)的很美觀的禮品，具有很高的收藏價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)使用三合板，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：陰刻清掃光強(qiáng)80%，速度30%。

2.4 玻璃雕刻參數(shù)實(shí)驗(yàn)與分析

激光是通過(guò)去除玻璃表面局部材料來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃雕刻或打標(biāo)的，因而在玻璃上出現(xiàn)微量的裂紋是允許的，但過(guò)量的裂紋會(huì)導(dǎo)致標(biāo)記不清晰、材料強(qiáng)度下降，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致基片變疏松。在雕刻或打標(biāo)過(guò)程中精確控制材料的裂紋量就能避免這些問(wèn)題，一般有三種方法可用于控制玻璃表面上產(chǎn)生的裂紋類型和數(shù)量。

第一種是采用多次激光輻射。采用一次激光輻射可在玻璃上產(chǎn)生輪廓鮮明的可見標(biāo)記，但是標(biāo)記打印之后，一些微裂紋和應(yīng)力將向垂直于激光移動(dòng)的方向擴(kuò)展，會(huì)擴(kuò)展到原標(biāo)記外附近區(qū)域形成碎片，從而影響標(biāo)記的清晰度。利用多次激光輻射，使與標(biāo)記區(qū)域相鄰的區(qū)域通過(guò)熱傳導(dǎo)被加熱，從而使這些區(qū)域形成應(yīng)力梯度，減少二次破裂的可能性。采用這種方法在鈉鈣玻璃和硼硅酸鹽玻璃上打標(biāo)十分有效。

第二種方法是利用一系列環(huán)狀裂紋形成文字、條形碼、方塊或矩形碼以及其他形狀碼圖案。玻璃通過(guò)加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生低密度環(huán)狀裂紋。玻璃被加熱時(shí)膨脹擠壓周圍材料，當(dāng)溫度升高到軟化點(diǎn)溫度時(shí)，玻璃快速膨脹形成一個(gè)低密度材料的凸出玻璃表面的圓頂。由于光斑能量呈高斯分布，因此光斑中心處的溫度較高。當(dāng)這個(gè)高溫區(qū)冷卻回到接近起始位置時(shí)，在低密度形成區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)密度區(qū)之間的接合處形成穩(wěn)定的環(huán)狀裂紋。這種方法適合于在普通光學(xué)材料和回火玻璃、化學(xué)增強(qiáng)玻璃或者普通鈉鈣浮法玻璃上打標(biāo)。

第三種方法也是采用同樣的加熱和冷卻過(guò)程，都是使某一特定體積的玻璃表面發(fā)生變化。但是此方法所用光斑的尺寸比較大，在兩種密度區(qū)域接合處的界線沒有環(huán)狀裂紋方法那樣分明。這種方法產(chǎn)生的標(biāo)記不是立即就能看得見的，要求稍微加壓之后才開始沿激光標(biāo)記區(qū)域產(chǎn)生格狀裂紋。用所產(chǎn)生的無(wú)碎片龜裂狀條紋填充圖案形成文字、圖形和各種碼。因?yàn)檫@種方法要求純質(zhì)表面，所以用于高質(zhì)量的汽車玻璃打印標(biāo)記。

本實(shí)驗(yàn)使用普通玻璃材料，采用第二種方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到玻璃雕刻（圖4）時(shí)的最佳參數(shù)為：速度30%，光強(qiáng)30%，雕刻深度50。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)采用單因素法，依次對(duì)亞克力板、即時(shí)剪紙、木板和玻璃等材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，從所記錄的數(shù)據(jù)中總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律性的結(jié)論，觀察樣件的效果，用目測(cè)判斷和儀器檢測(cè)評(píng)判雕刻效果優(yōu)劣等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的最優(yōu)化的參數(shù)為：亞克力板2mm厚度的在陰刻清掃和陽(yáng)刻清掃時(shí)光強(qiáng)都選擇80%，速度30%，溝邊時(shí)光強(qiáng)80%，速度2%；即時(shí)剪紙?jiān)谇懈罴磿r(shí)剪紙時(shí)機(jī)器光強(qiáng)10%，速度5%。雕刻木板陰刻清掃光強(qiáng)80%，速度30%。速度30%。雕刻玻璃光強(qiáng)30%，雕刻深度50。

由于在機(jī)器和雕刻軟件中都有光強(qiáng)和速度參數(shù)的設(shè)置，當(dāng)在軟件中默認(rèn)速度時(shí)實(shí)際雕刻速度按機(jī)器上設(shè)置，在軟件中設(shè)置時(shí)軟件參數(shù)就是實(shí)際雕刻的參數(shù)，而機(jī)器的參數(shù)是無(wú)效的；光強(qiáng)在軟件沒有體現(xiàn)，以機(jī)器上參數(shù)為準(zhǔn)。

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