文/ JACK PENNUTO JR.，通快集团美国分公司激光技术销售总监

图1：齿轮样品展示了白色标记和黑色深雕的高对比度标记方案，便于机器视觉系统识别。

用于识别和追溯的激光打标，是替代传统标记工艺的优秀解决方案。

随着激光参数、功能和波长范围的增加，激光打标技术已经发展到可以有效取代传统的机械标记法和喷墨标记法。在图1的案例中，使用激光对齿轮进行深雕，或对铸件进行打标，而不再使用点针打标（dot peening）。激光具有其他技术无法比拟的灵活性和性能，通过简单的激光设备参数调整，即可实现无接触、高对比度的打标或表面清洗。

激光打标背景

随着产品可追溯性的需求不断增长、单件产品的标记数据量显著增加，以及越来越多的产线运营者意识到需要使用激光打标来替代其他标记方式，所有这些因素都在推动着激光打标市场的快速发展。

通过优化激光器的脉冲能量和峰值功率，可以有效平衡熔融影响和消融效应。是否选取最优波长，将会影响到激光与材料标记表面的工艺机理及加工效果。虽然许多激光打标机仍在使用近红外（IR）光源（通常是CO2激光器、半导体泵浦固体激光器DPSS或光纤激光器），但在近红外波长加工效果欠佳的有机物或高反射材料表面打标，绿光和紫外光则能提供更多优化选择。除了波长外，还需要综合考虑激光的脉冲能量、脉宽和重复频率，以保证打标过程的高效性。要考虑所有这些参数，让打标工艺的优化变得颇具挑战性。好消息是，先进的打标软件可以快速调整这些参数，从而使这些参数选择变得简单且高效。

对于金属打标应用来说，纳秒范围内的固体激光打标机可产生退火标记，由热驱动的氧化物在生长中会发生颜色变化。对于一些特殊应用，如医疗仪器的哑光黑色标记，超短脉冲（USP）激光打标机可以实现激光诱导周期性表面微结构（LIPSS）工艺，从而实现材料表面的“冷加工”。由于LIPSS的加工参数有了很大的扩展，所产生的标记在数百次高压灭菌周期测试中，其抗褪色性表现非常出色。

尽管有多种处于可见光波段的激光器迅速发展，以及超短脉冲激光打标的使用范围越来越广，但是近红外纳秒激光打标系统，尤其是光纤激光系统，凭借其多样化的脉冲能量和重复频率，在激光打标市场中仍占据着重要的市场份额。最近的技术发展也不断支持着激光打标的更多应用扩展。

零件识别是所有类别的打标中最为常见的一种应用。与喷墨打标机相比，激光打标机具有明显的优势，它的标记更加持久，不需要油墨固化时间，也不需要消耗品。对于这两种技术而言，被打标的表面通常是平整的（二维），以确保标识信息的可读取性。激光设备可以直接完成二维打标，只要打标区域保持在焦平面内，即可获得高重复性的效果。

打标变得复杂化

但是，对非平面（三维）零件或具有明显轮廓的零件进行打标，又会怎样呢？铝铸件和钢制动力总成部件，就是这类打标应用的两个案例。点针打标一直是标记这类零部件的首选解决方案，因为该工艺相对便宜，可以耐受典型的铸造和加工环境，并且能够充分满足可读取性需求。 

激光退火打标是汽车发动机部件的一个优化选择。一方面，标记将不会在材料中形变，所以不存在尺寸问题。此外，由于使用了润滑剂，退火后的标记可以长期保持可读取性。另一方面，在齿轮上打标通常使用的是深雕工艺，所以标识可以经得起后续的热处理和研磨步骤。既然如此，为什么激光深雕工艺在此类传统应用中的市占率有限呢？较慢的加工速度是主要原因，要知道，传统的激光深雕速度通常比机械雕刻慢。

然而，最近功率更高、灵活性更强的激光打标机正在挑战传统机械打标设备，并在多个竞争领域脱颖而出。“例如在铝铸件上，激光的高峰值功率会产生一个粗糙的黑色表面。之后再运行一个低功率、高重复率的清洗过程后，会使周围表面变得光滑，并产生更高的对比度。”通快激光技术中心应用经理Florian Kiefer说，“有了它，你就能得到一个点针打标技术所无法达到的对比度。”

除了更高的对比度外，黑色激光标记的可读取性也同样出色，与点针打标机不同，它甚至不会产生任何磨损。在考虑资金投入时，由于黑色标识的可读取性更强，本身对比度更高，因此可以省去耗材和相关的维护时间，并且能使用较低价的机器视觉系统来平衡激光器的较高成本（见图2）。

图2：在塑料材料上进行二维平面打标，作为胶粘标签或喷墨标记的替代品。

在这些轮廓表面进行打标时，真正的三维打标尤为重要。Kiefer强调：“失真问题是二维码标记中的一大短板。在曲面上进行打标时，你需要从不同的角度读取它，并确保你的标记在相机上看起来是统一的。如果你直视它，它看起来会是扭曲的，但它在相机上看起来却是正确的。”

无论是在球体、杆体还是在不连续的曲面上进行打标，激光标记系统都需要有一个快速反应的z轴，以便在整个打标视场中保持焦平面（见图3）。要做到这一点，需要的不仅仅是激光设备，更需要高功能的打标软件来解析零件的几何形状，并根据需要调整标记。当需要在复杂的表面上准确标记二维码时，从偏离识别的方向上可能并无法准确辨别，但从机器视觉系统的正确识别角度来看时，却可以清楚地识别出该部件的代码，然后再进入下一个制造步骤。 

图3：激光器内的快速Z轴功能，用于聚焦定位，在3D表面上无畸变地打标。

deflection mirror——偏转镜

workpiece——工件

focusing lens——聚焦镜

fast z-axis——快速z轴

continuous positioning of the lens due to the position of the deflection mirror for focus position correction——根据偏转镜的位置，对透镜连续定位，以实现焦点位置的校正

总结

随着当今技术的发展，激光打标正扩展到更多不同表面标记的应用场景中，其中一部分应用取代了传统的机械标记工艺。灵活的激光打标机，可以在整个重复频率区间，提供高峰值功率和稳定的功率水平。有了这样的系统，我们可以有效地完成退火打标、清洗和深黑标记。通过有效结合激光性能与三维打标软件，激光器的用途得以扩展，即使在不平整的表面上（如铸件上），也能使用激光技术，标记出无图像失真的二维码，从而使视觉系统能够在制造过程中精准地读取并识别零部件。随着工业生产者对激光技术和先进打标软件的了解越来越深入，激光打标的应用也将不断增加。