高清晰激光打标尼龙的研究

徐亮 周勇

【摘 要】激光打标是新一代的精密加工标识方法。文章针对激光打标尼龙方法，从打标的原理、分类、材料的配方设计及激光打标机的参设设置等方面进行了介绍和探讨，并对高清晰激光打标尼龙的行业前景进行了展望。

【关键词】激光打标；尼龙；波长；电流；频率

【中图分类号】TN249 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）10-0036-03

0 引言

由于社会分工的日益细化和对产品区分的要求，产品除了必须具有优良的品质外，对产品进行信息化记录和追溯也成为保障产品品质的重要一环。而产品体积微型化、外形多样化等也使得传统的印刷、热塑、机械雕刻等方式逐渐不能满足行业发展的要求。尼龙材料作为最常用的塑料类别，也不再是普通的改性方式而涌现出了很多特殊的改性和应用领域，激光打标就是其中发展最快的。

激光打标是新一代的精密加工标识方法。与传统的标记方式相比，具有可通过与计算机设计相结合，高效自动化地快速标记出各种文字、符号、图形，不受标记产品外形、尺寸的限制，自由性好，标记长期使用不会掉色、褪色，并且加工方式无污染、环境友好等优点，在汽车、航空航天、电子电器等领域都有了越来越多的应用。

1 激光打标尼龙的原理和优势

激光打标的原理为由激光发生器生成高能量的连续激光光束，聚焦后的激光作用于承印材料，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，通过控制激光在材料表面的路径，从而形成需要的图文标记。激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力。

激光打标尼龙具有以下优势：{1}激光打标时，制件打标过程中并不与其他设备直接接触，没有力的作用，热影响较小，制件不易变形，没有磨损。{2}激光打标尼龙是在尼龙制件打标区域进行的化学层面的标识，并非简单地进行物理覆盖，因此标记具有耐久性好，长期使用不会出现褪色、掉色等问题。{3}激光标记精细度高，线条可以达到毫米到微米量级，采用激光标刻技术制作的标记，对其仿造和更改都是非常困难的，具有较好的防伪功能。{4}激光打标的方式灵活性高，可以在不同形状的制件上进行标识，不受制件平整度的限制。{5}设计方便、多样化，可以通过电脑和软件的配合，进行各类文字、符号、图形的设计和标识。{6}生产效率高，适合快速连续化的大批量生产。{7}激光打标具有加工无污染，环境友好的特点，与传统油印、丝印相比，不需要油墨、涂料、酸剂等，清洁高效。

2 激光源的类别

从常规的角度来看，普通尼龙即可以进行激光打标，但是存在着标识模糊、图案深浅不一、精细度不够等问题，对此本文进行了相关的研究和测试。

2.1 激光的类别

活性媒介和光学结构的不同产生了各种类型的激光，同时也影响这激光的光束质量和操作可变性。最常用的主要有以下2类（见表1）。

2.2 不同颜色的激光标识

2.2.1 浅色激光标识

浅色的激光标识是激光光束照射在深色的尼龙基板上，吸收大量能量产生了物质的分解产物，引起材料發泡，形成浅色的标识。发泡也分为开孔和闭孔2种，闭孔结构更为稳定、持久。其中，颜色越白亮则标识越清晰。

2.2.2 深色激光标识

深色的激光标识是激光光速照射在浅色的尼龙基板上，材料炭化所形成的产物，但是在炭化过程中往往伴随着一定程度的发泡，因此发泡程度需要有效的控制，以保证标识颜色的清晰度。

激光打标原理如图1所示。

2.3 尼龙激光打标剂的研究进展

2.3.1 无机类激光打标剂

默克公司开发的专利产品的Lazerfl air系列激光打标剂适用于尼龙材质，该激光打标剂主要由珠光助剂和激光敏感助剂组成，主要成分包含具有低折射系数、金属氧化物涂覆的云母，金属氧化物可以是氧化钛、氧化铁、锡锑氧化物和锡铟氧化物等。适用激光打标机光源类型为CO2激光、光线激光、Nd固体激光，波长范围为308～1 064 nm。

“泰科纳”也设计出由多种阳离子盐化合物与无机氧化物组成的激光打标助剂。多阳离子盐化合物具有氧合阴离子、有机羧酸或碳酸阴离子，粒径要求越细越好；无机氧化物是光敏感性物质，在激光照射时起到促进着色化合物形成的作用，可以是硅酸盐及硅酸盐矿物及氧化钛、氧化锑、氧化锡等，对于结晶性的尼龙材料非常适用的。

“帝斯曼”的氧化锑和珠光助剂复合的激光打标剂也是类似以上原理。

2.3.2 有机和无机物激光打标剂

“日本三菱”研制出了以锑化合物和卤素系有机化合物组成的激光打标剂，专用于尼龙材质。锑化合物可以是三氧化锑、四氧化锑、五氧化锑等；卤素系化合物主要是溴化聚苯醚。

“中国石化”也研制出了以粉末橡胶与炭黑混合制得的复合激光打标剂，标记颜色鲜明白亮。

2.4 激光标识的评价方法

激光标识的清晰与否，常规情况下目视即可简单判断，但存在一定的主观性与个体差异性，不能很客观地体现实际状况，因此我们选用了具有统一标准的光学色差来进行评判。

色差，即2种颜色的差别。色差值表示颜色的差别大小，用ΔE表示。色差值一般评价颜色的差别，广泛应用于塑料、印刷等行业。ΔE的计算公式如下：

ΔE=（ΔL2+Δa2+Δb2）1/2

其中：L表示亮暗，“+”表示偏亮，“-”表示偏暗；a表示红绿，“+”表示偏红，“-”表示偏绿；b表示黄蓝，“+”表示偏黄，“-”表示偏蓝；原始标准样为L0、a0、b0；激光标识后样为L1、a1、b1。

分别计算ΔL=L1-L0，Δa=a1-a0，Δb=b1-b0。ΔL为正表示颜色偏白，ΔL为负表示颜色偏黑；Δa为正表示颜色偏红，Δa为负表示颜色偏绿；Δb为正表示颜色偏黄，Δb为负表示颜色偏蓝；对于激光标识我们可以通过ΔE和ΔL，从标识整体色差和明暗度的变化综合评价标识的清晰度。

2.5 参数调节

在尼龙基材相同的情况下，通过激光参数的优化设定，可以获得更好的标识效果。通常，可以调节的参数包括打标扫描速度、电流强度、脉冲频率、功率、脉冲宽度、焦距、填充密度等。参数的调整是相互关联的。当需要得到更清晰的标识时，可以提高频率和降低打标速度，也可降低频率和提高打标速度。

其中，激光打标机的打标速度、电流强度和脉冲频率对打标清晰度的影响最大。

2.5.1 打标速度

打标速度是单位时间内激光扫描的距离。打标扫描的速度越快，激光在材料表面作用的时间就越短。当扫描速度加快时，激光对尼龙材料的作用时间缩短，材料表面来不及充分吸收激光能量，因此标识的深度变浅，对比度降低，图形清晰度降低。

2.5.2 电流强度

不同的电流强度下，激光标识差异很大。对于尼龙材料来说，电流强度越大，脉冲峰值功率和平均功率都增大，光束的能量越高，激光在材料表面热作用加剧，刻蚀的标识就越明显，对比度增大，清晰度越高。但是，当电流强度达到一定程度后，激光对材料表面的热作用以汽化为主，标记深度和清晰度变化不大，因此电流强度不宜过高。

2.5.3 脉冲频率

脈冲频率是每秒钟产生的触发脉冲数目，也称之为脉冲重复频率。当脉冲重复频率升高时，激光的峰值功率降低，激光的平均输出功率会升高，当激光脉冲峰值较大时，标记深度增大；当脉冲重复频率继续升高时，激光的脉冲峰值会更低，标识深度将降低。经测试，对于尼龙材料，在3～4 kHz的范围内对标识深度是最佳设置，激光标识深度最大，对比度最高。

3 激光打标尼龙行业的前景展望

相对于传统标识行业，激光打标具有更经济、更高效、无污染、表面设计更灵活、标识持久不脱落等优点。通过改性的高清晰尼龙打标产品，配合相应的打标工艺参数，可以在深浅不同的尼龙基材上得到清晰度大幅提高、整体色泽均匀、边缘锐度极高、耐久度很高的激光标识。如今，激光打标尼龙已经在汽车、电器等行业大量应用，并不断得到拓展。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]