614 金属材料的雷射雕刻.PPT

第 6 章雷射雕刻技術 6.1　雷射雕刻原理 6.2　雷射雕刻在印染業中的應用 6.3　雷射在印章、證卡業中的應用 6.4　雷射雕刻在工藝品中的應用 6.5　雷射內雕技術 6.1　雷射雕刻原理 6.1.1　雷射雕刻的基本原理 雷射雕刻的實現主要是利用雷射光束在材料表面的三種效應[1,3]： 1.熔蝕效應 當雷射光束照射到材料表面後，材料吸收雷射的能量並向內層傳導，熔蝕就是利用雷射光束的高能量來打斷材料的化學鍵。當斷鍵破壞程度超過一定閾值時，材料表層便會有兩種變化：一種是表層材料形成碎片而剝落。另外一種是材料的表面熔融並重新流佈。雷射在材料表面的熔蝕效應會造成非常明顯的目視反差效果 2.汽化效應 在雷射對材料的作用過程中，被雕刻材料的表面溫度急劇上升，又會加速材料對雷射能量的吸收，當達到材料的汽化溫度時，材料表面會因為瞬時汽化而蒸發，汽化同時會引起瞬間氣壓急劇上升，高速氣流會將大部份蒸發物向外噴射，於是出現雕刻痕跡。 3.光化學反應 由雷射所引起的材料的光化學反應，主要是發生在有機化合物上。在利用光化學反應雕刻材料時，由於材料分子結構會發生變化，這種變化在雕刻區域最直觀的反映，就是材料的顏色會發生明顯的改變。 一、雷射雕刻的優點 1.雕刻範圍廣 雷射的強度極高，不僅能對各種非金屬材料進行雕刻，而且也能對金屬材料進行雕刻，甚至能雕刻耐火度很高，以及硬而脆的材料，雷射雕刻的範圍是非常廣泛的。 2.雕刻速度快 一般的雕刻圖案，只要經過電腦的處理，再輸出到雕刻機製作即可，省掉了傳統雕刻技術中的繁瑣過程，雷射雕刻一般要比其他雕刻方法快到100倍以上，而且現在的雷射雕刻控制系統完全可以保證長期安全工作和精確控制。 3.雕刻品質高 由於雷射強度高、方向性好，光束極細的雷射完全可以做到精細雕刻，雕刻品分辨率很高，可實現精細圖案和雲霧狀圖案。雷射雕刻時間短，所以被雕刻材料氧化、變形和熱膨脹影響的區域都比較小，一般不需要特殊保護就可以完成高精度的雕刻。 4.雕刻耗能少 雷射雕刻與其他雕刻方式相比較，採用了一種能量使用很直接的方式，能量轉換環節少，而且雕刻過程中操作簡單、保護環節少，所以消耗的能量少，並且能夠提高工作效率。 二、雷射雕刻的應用 雷射雕刻的應用主要是在下面幾個方面： (1)工業中常用雷射去雕刻交通工具識別碼、元件編號、裝飾開關和儀表面板。 (2)製造電子產品的公司通常使用雷射雕刻來鑑別成品是否為良品。 (3)印刷業的軟性印刷中網紋輥的雷射雕刻和軟印版的雷射雕刻，是目前雷射雕刻中應用最早、也是最成功的。 (4)雷射雕刻還經常用於家庭微型電器的金屬和塑料包裝上的雕刻。 (5)在醫學上做標識，如在試驗用的動物身上做標記。 6.1.2　雷射雕刻機的一般構造 普通的雷射雕刻機主要是由雷射器、導光聚焦系統、控制系統和機械系統四部份組成。 一、雕刻用雷射器 用於雷射雕刻的雷射器，主要是CO2雷射器、Nd：YAG雷射器和準分子雷射器三種。CO2雷射器輸出波長為10640nm的雷射，脈衝輸出方式輸出能量為幾焦耳，連續輸出方式輸出功率為幾十到幾千瓦。 Nd：YAG雷射器輸出波長為1064nm的雷射，脈衝輸出方式輸出能量為幾至幾十焦耳，連續輸出方式的輸出功率為幾十到幾千瓦。 在稀有氣體鹵化物雷射器中，XeCl雷射器的壽命較長，且308nm的雷射波長比較適合在大氣中傳輸。 影響雕刻品質的參數 1.雷射能量 通常被雕刻材料吸收的雷射總功率表達式如下 式中，P為吸收總功率，Pi為入射總功率， 為反射率，? 為過程效率的倒數，v為雕刻速度，W為雕刻寬度，d為雕刻深度，? 為材料密度，m為材料熔化後汽化的質量分數，Ct為材料的比熱容，ΔT為溫度上升至沸點時的溫度差值，Lf為熔化潛熱以及Lv為蒸發潛熱。 雷射刻蝕材料的去除速度表示為 式中， 和 分別為固體和熔融體的密度，C1和C2分別為固體和熔融體的比熱容，以及q為雷射功率密度。 假設V0為去除材料的體積時，EV的普通表達式為 2.離焦量 R1和R2構成了雷射器的共振腔，L為聚焦透鏡，f0為聚焦雷射光束腰平面到透鏡的距離，Δf為離焦量， 為雷射器輸出束腰半徑，以及 為聚焦雷射光束腰半徑。 雷射器輸出束腰直徑為2 的高斯光束，通過焦距為f的正透鏡轉換成一個束腰直徑為2 的高斯光束，下面的公式是對 、 和f0的一般換算 在整個雷射加工過程中，透鏡L到雷射器的距離d2是變化的。由於在雷射加工過程中d2一直在變，d2變大會使 變小，然而在d2增大 減小時，f0又有所增大，即經過透鏡變換的高斯光束束腰 距透鏡的距離變大， 的束腰平面從被雕刻工件的表面移至工件內部了，即出現了負離焦情況。 二、導光和聚焦系統 1.雷射傳輸系