李全城，易承修

(1.廈門理工學(xué)院現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，福建廈門 361024； 2.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

激光打標(biāo)技術(shù)作為一種現(xiàn)代和新型的標(biāo)刻、標(biāo)識加工方法，與傳統(tǒng)的機械打標(biāo)、噴油墨和貼標(biāo)簽紙等標(biāo)記方法相比，具有不接觸工件、對環(huán)境友好[1]、速度快、標(biāo)記不褪色不丟失[2]等一系列優(yōu)點。因此目前激光打標(biāo)技術(shù)在金屬[3–6]和塑料[7–10]等多種材料的高端制成品的標(biāo)記、標(biāo)識方面得到了快速的發(fā)展和廣泛的運用。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，又稱有機玻璃或亞克力，具有良好的透光性、極佳的耐候性和良好的熱塑加工性，且拉伸等綜合力學(xué)性能又在通用塑料中位居前列[11–12]，因此，成為了繼瓷器和鋼具后又一類人們在生產(chǎn)生活中需求量大、作用性強的材料，被廣泛應(yīng)用在裝飾品、廣告招牌和建材等許多行業(yè)中[13]。

激光打標(biāo)技術(shù)在PMMA材料上的應(yīng)用是未來的一大發(fā)展趨勢，比如激光打標(biāo)可以用來標(biāo)刻PMMA材料的廣告招牌上的文字、圖案、logo等廣告信息，這些標(biāo)刻的信息在背光照射下，即使在黑夜中也依然能像白天一樣清晰可見。截止目前，關(guān)于PMMA材料的打標(biāo)性能的研究文獻(xiàn)很少，學(xué)者們一般通過添加激光功能顏料[14–15]、采用增韌改性技術(shù)或改變材料配方等[16–17]方式來提高打標(biāo)效果，然而打標(biāo)過程中所選用的打標(biāo)速度和激光功率等打標(biāo)工藝參數(shù)對PMMA制品的最終打標(biāo)效果的影響很大，研究激光打標(biāo)工藝參數(shù)對PMMA打標(biāo)效果的影響具有重要的意義。龍學(xué)文等[18]和曾麗娜等[19]都曾對PPMA材料的激光打標(biāo)工藝進(jìn)行了初探，但現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)中，較少有系統(tǒng)、深入地研究光纖激光打標(biāo)工藝參數(shù)對PMMA材料打標(biāo)效果的影響的報道，并且目前的相關(guān)文獻(xiàn)主要通過視覺評價打標(biāo)后的效果，缺少科學(xué)的量化手段。筆者以具有較佳打標(biāo)性能的黑色PMMA材料為打標(biāo)對像，在視覺對比打標(biāo)效果的基礎(chǔ)上，又通過測量打標(biāo)時間、打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度等可量化的參數(shù)，系統(tǒng)研究了激光打標(biāo)工藝參數(shù)對黑色PMMA材料打標(biāo)性能的影響，并通過分析和總結(jié)，篩選出了較為合適的打標(biāo)工藝參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PMMA方料板：尺寸為100 mm×100 mm×3 mm，添加有鏡面高光黑色母，東莞市奇凌塑料制品有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

光纖激光打標(biāo)機：HZZ–M300型，激光波長1064 nm，峰值功率30 W，聚焦場鏡焦距175 mm，打標(biāo)控制軟件EzCad 2.8，廣州華之尊光電科技有限公司；

顯微鏡：VHX–500型，基恩士(中國)有限公司。

1.3 光纖激光打標(biāo)實驗

光纖激光打標(biāo)機及控制軟件如圖1所示，整個打標(biāo)實驗的流程為：將黑色PMMA方料板在夾具上固定好并確定好打標(biāo)位置→把所要打標(biāo)的圖案內(nèi)容(試驗所打標(biāo)的圖案為10 mm×10 mm的區(qū)域內(nèi)均勻分布的50個長方形網(wǎng)格圖案，每個長方形方格的規(guī)格均為0.2 mm×10 mm)導(dǎo)入EzCad 2.8控制軟件中→在控制軟件中通過改變線間距、激光功率、打標(biāo)速度和激光頻率等工藝參數(shù)中的單一工藝參數(shù)來進(jìn)行4組試驗(如表1)，分別研究這4個參數(shù)對打標(biāo)效果的影響→打標(biāo)→控制軟件中讀取打標(biāo)時間→打標(biāo)完成后檢測。

表1 光纖激光打標(biāo)實驗的工藝參數(shù)

1.4 性能測試

(1)通過視覺和顯微鏡觀察打標(biāo)后的整體效果。

(2)由于激光打標(biāo)加工時間的長短會影響注入PMMA基材的激光能量的多少，進(jìn)而對整體打標(biāo)效果產(chǎn)生影響；且打標(biāo)后圖案里的單條線條的標(biāo)記寬度和整體圖案的標(biāo)記深度，也都會影響圖案的整體效果，因此，筆者在觀察圖案整體效果的基礎(chǔ)上，還對激光打標(biāo)時間、單條線條的標(biāo)記寬度和整體圖案的標(biāo)記深度進(jìn)行考察。激光打標(biāo)時間直接在EzCad 2.8控制軟件中讀取，單條線條的打標(biāo)寬度和整體圖案的打標(biāo)深度則分別通過顯微鏡的測量功能和景深功能獲得(對每個打標(biāo)后的PMMA樣品進(jìn)行3次測量，然后取平均值作為各自的最終測量結(jié)果)。

2 結(jié)果與討論

2.1 線間距對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

線間距是指激光在黑色PMMA基材上掃過的兩條相鄰激光掃描線間的距離，會影響最終的打標(biāo)效果。在研究不同的線間距對黑色PMMA材料激光打標(biāo)效果的影響過程中，固定激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm／s和激光頻率60 kHz的條件下，獲得的不同線間距下的激光打標(biāo)效果對比圖、打標(biāo)深度變化曲線及打標(biāo)時間分別如圖2、圖3和表2所示。

圖2 不同線間距的黑色PMMA打標(biāo)效果

圖3 線間距與打標(biāo)深度的關(guān)系

表2 不同線間距的激光打標(biāo)時間 s

從圖2的效果對比圖可以看出，線間距小于0.09 mm時PMMA基材出現(xiàn)了比較明顯的燒焦現(xiàn)象，特別是當(dāng)線間距在0.01～0.05 mm時，甚至出現(xiàn)了非常明顯的汽化現(xiàn)象，基材表面凹凸波動非常大，且整體顏色不均勻，效果極差。線間距在0.13 mm時，打標(biāo)圖案的各處顏色和間距都不均勻，整體的打標(biāo)效果不好。線間距在0.25 mm時，隨著線間距的增大，打標(biāo)出來的圖案顏色偏暗、線條間距偏大，打標(biāo)效果也不好。線間距為0.17～0.21 mm時，打標(biāo)圖案整體顏色均勻，線條邊界清晰、間距合適，且基體表面平整，打標(biāo)效果較好。因此對于本次的黑色PMMA材料打標(biāo)實驗，較為合適的線間距為0.17～0.21 mm。

從圖3可以看出，線間距為0.01～0.13 mm時，打標(biāo)深度變化很小，線間距為0.13～0.17 mm時，打標(biāo)深度急劇變小，而線間距為0.17～0.25 mm時，打標(biāo)深度又基本不變。這是因為在0.01～0.13 mm范圍內(nèi)，線間距過小，這一方面導(dǎo)致了打標(biāo)時間過長(如表2)，另一方面又使激光的掃描重疊率過高，進(jìn)而造成了黑色PMMA基材的嚴(yán)重熔化、汽化現(xiàn)象。而當(dāng)線間距過大時(大于0.25 mm)，又容易造成打標(biāo)線條間距過大，加工程度不夠，打標(biāo)圖案內(nèi)容不夠清晰。與此同時，因為激光光斑的能量幾乎不受線間距的影響，所以打標(biāo)寬度幾乎不受線間距的影響。在激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm／s、激光頻率60 kHz、線間距0.21 mm時測得的打標(biāo)寬度為171 μm，如圖4所示。因此，結(jié)合圖2、圖3、表2和圖4，當(dāng)線間距為0.17～0.21 mm、打標(biāo)時間為1.75～2.12 s、打標(biāo)深度為35.22～36.22 μm、打標(biāo)寬度為171 μm左右時，黑色PMMA的打標(biāo)效果較好。

圖4 激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm／s、激光頻率60 kHz、線間距0.21 mm時的打標(biāo)寬度

2.2 激光功率對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

試驗所用的激光器的峰值功率為固定值30 W，所以打標(biāo)時只需通過EzCad 2.8控制軟件直接改變峰值功率的百分比，就可以改變激光功率的大小。圖5、圖6分別為不同激光功率下的黒色PMMA激光打標(biāo)效果對比圖和打標(biāo)深度、打標(biāo)寬度變化曲線圖(線間距從2.1節(jié)確定的較好的打標(biāo)效果的區(qū)間內(nèi)選取，為了與圖案的線條間距一致，故將線間距定為0.2 mm，打標(biāo)速度為300 mm／s，激光頻率為20 kHz)。

從圖5的效果對比圖可以看出，當(dāng)激光功率為40%時，黑色PMMA基材出現(xiàn)了比較明顯的燒焦現(xiàn)象，打標(biāo)線條圖案顏色不均勻，邊界不清晰，表面凹凸不平。隨著激光功率從40%增大85%，熱輸入越來越大，燒焦的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，打標(biāo)效果越來越差。相比之下，當(dāng)激光功率為10%～25%時，打標(biāo)線條圖案顏色均勻，線條清晰，表面平整，打標(biāo)效果相對較好。因此對于本次的黑色PMMA材料的打標(biāo)實驗，比較理想的激光功率為10%～25%。

圖5 不同激光功率的黑色PMMA打標(biāo)效果

從圖6可以看出，在其它條件固定的情況下，隨著激光功率從10%增大到85%，打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度均增加。這是因為，激光功率越大，激光能量越強，激光和黑色PMMA基材之間的熱作用越強，導(dǎo)致了所打標(biāo)的線條圖案的打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度也都逐漸變大。當(dāng)激光功率過大時，會導(dǎo)致基材的燒焦、汽化現(xiàn)象，打標(biāo)效果變差。而當(dāng)激光功率過小時，又會造成打標(biāo)力度不足，打標(biāo)線條圖案不清晰，利用率不足。與此同時，本節(jié)實驗測得的激光打標(biāo)時間始終在1.83 s左右，幾乎不受激光功率的影響。因此，結(jié)合圖5和圖6，當(dāng)激光功率為10%～25%、打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度分別為131～144 μm和30.38～39.72 μm、打標(biāo)時間為1.83 s左右時，黑色PMMA的打標(biāo)效果較好。

圖6 激光功率與打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度的關(guān)系

2.3 打標(biāo)速度對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

在研究打標(biāo)速度變化對黑色PMMA材料激光打標(biāo)效果的影響規(guī)律過程中，分別固定線間距、激光功率和激光頻率為0.2 mm，10% (激光功率從2.2節(jié)確定的較好的打標(biāo)效果的區(qū)間內(nèi)選取，考慮到激光功率為10%時，打標(biāo)圖案效果最好)，20 kHz的條件下，獲得的不同打標(biāo)速度的激光打標(biāo)效果對比圖、打標(biāo)寬度與打標(biāo)深度變化曲線及打標(biāo)時間分別如圖7、圖8和表3所示。

表3 不同打標(biāo)速度的激光打標(biāo)時間 s

圖7 不同打標(biāo)速度的黑色PMMA打標(biāo)效果

圖8 打標(biāo)速度與打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度的關(guān)系

從圖7的效果對比圖可以看出，當(dāng)打標(biāo)速度為100 mm／s時，黑色PMMA基材出現(xiàn)了比較明顯的燒焦現(xiàn)象，打標(biāo)線條圖案顏色不均勻，表面凹凸波動大，線條間距過密。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是打標(biāo)速度過小，導(dǎo)致熱輸入過大，對黑色PMMA基材的燒蝕嚴(yán)重。而從打標(biāo)速度700 mm／s開始，打標(biāo)線條圖案開始變暗，打標(biāo)速度達(dá)到1100 mm／s時打標(biāo)線條圖案變暗的現(xiàn)象尤為明顯，甚至出現(xiàn)了有些線條沒能被完整地打標(biāo)出來的現(xiàn)象。相比之下，打標(biāo)速度為300～500 mm／s時，打標(biāo)線條圖案顏色均勻，線條清晰，間距適中，表面平整，打標(biāo)效果較好。因此對于本次的黑色PMMA材料的打標(biāo)實驗，較為理想的打標(biāo)速度為300～500 mm／s。

從圖8可以看出，打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度均隨著打標(biāo)速度的增大而減小。這是由于，在其它條件固定不變的情況下，隨著打標(biāo)速度的增大，一方面打標(biāo)時間變短(如表3)，使作用在黑色PMMA基材上的激光能量變少，導(dǎo)致打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度變小；另一方面激光脈沖重疊率變小，注入基材的能量也減小，使打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度變小。因此，結(jié)合圖7、圖8、表3，當(dāng)打標(biāo)速度為300～500 mm／s、打標(biāo)時間為1.14～1.86 s、打標(biāo)寬度為63～130 μm、打標(biāo)深度為18.56～30.38 μm左右時，黑色PMMA的打標(biāo)效果較理想。

2.4 激光頻率對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

利用前三節(jié)的研究結(jié)果，把線間距、激光功率和打標(biāo)速度分別定為0.2 mm，10%，300 mm／s (相較于500 mm／s，打標(biāo)速度為300 mm／s時打標(biāo)圖案更明亮)的條件下，研究不同的激光頻率對黑色PMMA基材激光打標(biāo)效果的影響，獲得的打標(biāo)效果對比圖和打標(biāo)深度、打標(biāo)寬度變化曲線分別如圖9和圖10所示。從圖9的效果對比圖可以看出，激光頻率對黑色PMMA基材的打標(biāo)效果影響很小，僅當(dāng)激光頻率在60～120 kHz時，打標(biāo)線條圖案偏暗，而當(dāng)激光頻率為20～40 kHz時(特別是20 kHz時)，打標(biāo)線條圖案比較明亮。因此對于本次的黑色PMMA材料的打標(biāo)實驗，比較理想的激光頻率為20～40 kHz。從圖10可以看出，當(dāng)激光頻率為20～120 kHz時，黑色PMMA基材的打標(biāo)寬度隨著激光頻率的增大而略微有所減小，而打標(biāo)深度隨激光頻率的變動幅度很小。這是因為頻率的變大，一方面使得激光打標(biāo)點變多，打過的點又被再次燒蝕掉，導(dǎo)致打標(biāo)線條變暗；另一方面又使得激光脈沖能量縮小，造成熱輸入變小。這兩方面的綜合影響，導(dǎo)致了打標(biāo)深度和打標(biāo)寬度的變化幅度都很小。與此同時，本節(jié)實驗在不同頻率條件下測得的激光打標(biāo)時間始終在1.84 s左右，幾乎不受激光頻率的影響。因此，結(jié)合圖9和圖10，當(dāng)激光頻率為20～40 kHz、打標(biāo)寬度為130～131 μm、打標(biāo)深度為29.35～30.38 μm、打標(biāo)時間在1.84 s左右時，黑色PMMA的打標(biāo)效果較好。

圖9 激光頻率對黑色PMMA打標(biāo)效果的影響

圖10 激光頻率與打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度的關(guān)系

在線間距0.2 mm，激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm／s、激光頻率20 kHz時測得的打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度和打標(biāo)時間分別為130 μm，30.38 μm和1.86 s，如圖11所示。

圖11 線間距0.2 mm、激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm／s、激光頻率20 kHz時的打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度

3 結(jié)論

(1)線間距、激光功率、打標(biāo)速度對黑色PMMA材料的激光打標(biāo)效果有著重要的影響，而激光頻率的影響比較小。線間距過小、激光功率過大、打標(biāo)速度過慢都會使黑色PMMA出現(xiàn)燒焦、打標(biāo)線條圖案顏色不均勻、表面凹凸不平等現(xiàn)象；線間距過大、激光功率過小、打標(biāo)速度過快都會導(dǎo)致打標(biāo)線條圖案偏暗、模糊甚至斷線、缺失等狀況。

(2)打標(biāo)時間、打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度會間接反應(yīng)出黑色PMMA的打標(biāo)效果，它們過大或過小都不利于打標(biāo)出理想的線條圖案。

(3)本實驗中的黑色PMMA材料的理想激光打標(biāo)參數(shù)的區(qū)間為線間距0.17～0.21 mm，激光功率10%～25%，打標(biāo)速度300～500 mm／s，激光頻率20～40 kHz。特別地，當(dāng)線間距為0.2 mm、激光功率為10%、打標(biāo)速度為300 mm／s、激光頻率為20 kHz時，打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度和打標(biāo)時間分別為130 μm，30.38 μm和1.86 s，此時黑色PMMA的打標(biāo)效果最佳。