工程应用表明：该工艺用于多项尼龙壳体产品生产，而且满足产品标识质量要求。
关键词：激光标刻；尼龙材料；标刻工艺
前言
激光打标机利用高功率密度的聚焦激光束在不同的物体表面上发生物理或化学变化产生的永久性标记。对于需长期库存的产品，原有的铭牌设计由于在运输、使用过程中存在一定的脱落风险，因此目前大都采用激光标刻来实现产品标记。我单位采用了楚天公司的CT-DPL激光打标机，该机适合于在金属和部分非金属材料（如PVC、聚苯硫醚等）表面标记，但随着产品类型的增加，出现了不同材料的产品壳体，特别是部分产品的壳体采用尼龙材料，现有的CT-DPL激光打标机在实际工程应用中逐渐暴露出一些局限性。
1 问题
清晰的标识需要激光打标的标记和基材尼龙壳体间形成鲜明的对比，因此达到较高的对比度更显得重要。影响激光标刻质量的主要包括如下因素：
（1）设备类型。由于设备的精度，光源波长等直接影响到激光打标的效果。
（2）激光标刻参数。主要由于输出功率、标记频率、速度等因素影响激光打标的结果。
（3）壳体材料。由于材料对光的反射率，吸收率不同，以及材料的物理和化学性会影响激光能量吸收，从而影响到激光打标的效果。
目前多个产品均采用尼龙壳体，该壳体采用注塑工艺生产，原料为玻璃纤维增强的尼龙塑料粒料。该原料熔融流动性好，具有坚韧、耐疲劳、机械强度较高，但熔程较窄，一般为3℃-4℃，耐热性不佳。而标刻设备采用的Nd：YAG（钇铝石榴石晶体）固体激光器，光源波长为1064nm的半导体激光标刻机，激光束照射到材料表层时，有三种不同的形势同时存在，如图1所示。
图1 激光照射材料呈现三种形式
材料吸收光能并向内层传导；不同材料有不同的激光能量吸收率和放射率，导致材料表层发生不同变化，如碳化、雕刻或起泡，从而留下具有视觉差异的标记。图2为标刻参数一定的条件下，尼龙壳体材料发生不同变化，碳化、雕刻或起泡同时出现，因尼龙内部材料分布不均所致，使标记的字迹不连续、模糊，较难辨识。因此对于熔程范围较窄的尼龙标刻效果不是很好。在显微镜下可以看到尼龙壳体烧蚀痕迹放大后是一系列岛状碳化物。
图2 尼龙壳体打标效果
在实际生产过程中，由于尼龙壳体本身原料有批次性差异，导致其材料吸收率、反射率有一定不同，从而在相同的标刻参数条件下，在不同批次壳体上标记难以达到同一效果。特别当尼龙壳体透明度较高时，单独对尼龙壳体（半透明的浅黄色）标刻时字迹尚能分辨，但是产品装配完成后，因产品壳体内部物质为黑色，导致与黑色的烧蚀字迹对比度差，字迹难以分辨，不满足产品质量要求。
除了材料本身因素外，产品有一定的特殊要求，如电池产品是化学能转变为电能的一种装置，其反应过程中使电池壳体处于高温高压状态下，设计者必须考虑壳体承受压力，这就要求标记电池壳体深度不能深；同时还存在标刻面积范围小（32mm×13mm）、内容多、字体小等诸多因素，这些因素给最佳标记参数的确定、标刻方法的建立带来一定的难度。
2 激光标刻工艺
2.1 不同标刻方法对比
针对尼龙外壳标记问题，采用如下两种方法进行了实验：
用自动机械刻字机刻标牌。
用刻刀在尼龙外壳上刻字，由于尼龙外壳有微小变形，导致尼龙外壳不是同心圆，刻出的字迹有深有浅，甚至有没刻出来的字迹。因刻刀转角限制，字的笔画多，也不易刻出。此方法不易控制，实验失败，不采用此方法。
改变尼龙外壳及罩标刻的颜色。
尼龙材料在激光的烧蚀作用下形成黑色点状颗粒，导致标记的字迹不连续、模糊，影响后续工作。采用改变尼龙外壳标刻处颜色的工艺，如图3所示，从而使字迹清晰。
图3 改变尼龙外壳标记处颜色的工艺
此方法解决尼龙外罩平面打标的问题，但是在某产品中，由于标刻处为弧面，字数多，字号小的特点，并且涂有白色的底漆，外观易磨损，不易于运输、储存，其效果仍然不理想，如图4所示。
通过上述两种实验及结果分析，目前要想在尼龙这类非金属材料上标记，完成产品标记任务，满足产品标识质量要求，需要在现有CT-DPL激光打标机设备上改进标刻参数及标刻方法。
2.2 改进激光标刻工艺
2.2.1 非金属材料的标刻方法
非金属材料常用的激光标刻方法包括碳化法、雕刻方法和起泡法。
（1）碳化法。碳化法只在材料的表面下方改变它的颜色；
（2）雕刻方法。材料的表面区域通过熔化和蒸发去除，留下具有凹凸效果的标记；
（3）起泡法。将气体气泡融入到材料中，使其膨胀并产生浮雕效果。
标记效果好坏除了激光光束的质量、焦点位置外，还取决于标刻参数：
（1）扫描速度。扫描速度越快，集中在一个点的时间短，不容易形成热效应，不会形成汽化；
（2）工作电流。由于非金属材料的导热性能相对较差，电流越大，容易形成热积累；
（3）标记频率。频率越低，单位点作用时间短，作用功率高，从而进行深度打标。这些标刻参数是相互联系，又相互制约，只有合理设置这些参数，才能获得较好的标刻效果。
2.2.2 激光标刻工艺的改进
基于对尼龙材料影响因素分析，通过激光标刻方法及参数调整，做了大量实验摸索。试验所用样件为厚度3mm的尼龙壳体，CT-DPL激光机，输出功率20W，透视焦距139mm，焦斑直径0.05mm。
（1）标刻方法的选择。激光标刻质量由以下几个参数综合评定：标记对比度、宽度、深度、微缺陷等。起泡法是呈浮雕效果，由于打标图形面积小、内容多、字体小及尼龙内部材料分布不均匀等特点，此激光标刻方法不可行，起泡法的标刻效果如图5所示。
图4 改变颜色方法的标刻效果 图5 起泡法的标刻效果
采用碳化法，烧蚀字迹、图形呈不连续点状结构，导致标识不清晰，如图6所示。
因尼龙壳体透明度高，装入黑色产品后，呈现浅黑色的外壳与烧蚀字迹对比度差，字迹图形模糊。
采用雕刻法，使壳体表面字迹呈凹凸的效果。由于尼龙材料本身或其主成分以外的杂质分布不均匀，吸收率、发射率不同，导致材料内部爆裂和碳化，如图7所示。
图6 碳化法的标刻效果 图7 雕刻法的标刻效果
本试验寻找能量、频率、速度适中，尼龙材料在激光的作用下，采用雕刻法，生成不均匀黑色烧灼物减少，同时字迹、图形呈现凹的效果。
（2）标刻参数的优化。标刻质量、分辨率与激光能量、频率、扫描速度、材料性质等参数相互联系，同时互相制约。激光工作电流设置直接关系到激光输出能量，在其他参数不变的条件下，随着工作电流的逐渐增大，打标的宽度随之增大，深度也相应增加，标记对比度越大标记越清晰；但电流越大，积聚在尼龙壳体表面的能量越多，更易烧焦表面，图形明显变黄，边界模糊不清，甚至发生燃烧现象。电流逐渐递增的标刻效果如图8所示。
图8 电流逐渐递增的标刻效果
当电流较小时，如工作电流在7A的条件下，壳体的标刻效果不明显，视觉观察不出来，激光标刻效果极差，不同电流条件下的标刻效果如图9所示。
（a）7A （b）8A （c）9A （c）10A
图9 不同电流条件下的标刻效果
频率是指单位时间内，激光出光数目的多少。相同工作电流下，频率低对每个点作用的时间长，相应的每个点的标刻就会深，频率高则被标记材料由快速汽化逐渐过渡为受热烧灼，标记深度减少，但标刻线条的连续性好如图10所示。
激光标刻速度是指单位时间内激光所走的距离，在其他条件相同的条件下，速度越快，激光与材料相互作用的时间就越短，标记表面来不及充分吸收激光能量，使材料的气化量减少，从而标记深浅度。
针对尼龙材料的特殊性能，做了大量的标刻试验，根据大量效果图寻找最佳标刻参数。当激光工作电流为9A，频率为0.8KHz，标刻速度为25mm/s的条件下，尼龙材料生成不均匀黑色烧灼物减少，同时字迹呈现凹的效果，其标刻效果如图11所示。
图11 优化标刻参数后的激光标刻效果
（3）标刻工艺的确定。通过上述实验研究，最终确定了合适的标刻工艺，包括标刻方法、合适的参数等。基于该工艺，尼龙材料在激光的作用下产生不均匀的大颗粒黑色烧灼物减少，同时标刻痕迹呈现凹型。由于考虑到壳体装入产品后，内部为浅黑色，与标记颜色相近，导致字迹不清楚。利用尼龙汽化这一特性，在标刻痕迹的凹处涂上白漆，标刻字迹、图形清晰对比度强，但由于尼龙材料中的玻璃纤维分布不均匀的特点，在激光的作用下发生爆裂和碳化，影响标识质量。
考虑材料爆裂和碳化呈现黑色，因此决定在标刻痕迹的凹处涂上黑漆，并用热封机在50℃作用下的对涂好的黑漆加热，使黑漆牢固粘接在标刻痕迹凹面内，不易脱落。通过多次涂黑漆试验发现：这种方法很好地解决了在激光标刻过程中尼龙材料爆裂和碳化现象对标识质量的影响，保证产品外观合格，且满足产品标识质量要求，最终打标效果如图12所示。
图12 涂抹黑油漆后的标刻效果
3 结束语
文章针对实际工程问题，基于现有激光标刻设备，明确了针对尼龙壳体标记的激光标刻方法，寻找到合适的标刻工艺参数，解决了实际工作中尼龙壳体激光标记出现图形、字迹模糊，不清晰的问题。该标刻工艺已用于多项产品生产，其均满足产品的标识质量要求。
参考文献
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