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超脉冲二氧化碳激光在工业打标上的优势简析

来源:本站    发布时间:2014-12-2 15:31:06    点击量:

 

Access Laser(美国大通激光)研发并生产的中小功率射频激励二氧化碳激光器主要分为连续型(CW)和超脉冲(SP)两种。目前连续型二氧化碳激光器在技术上已经比较成熟了,在工业领域应用广泛,而中小功率超脉冲型二氧化碳激光器对于二氧化碳激光领域来说还是一项新技术。
    超脉冲技术是一项将原本平均输出的激光能量集中在很短的时间内输出的激光技术。超脉冲型二氧化碳激光器与相应的连续型激光器相比,主要具有打标加工效果更明显、取得相同加工效果时能耗更低以及价格更低的优势。
首先我们来简单看一下超脉冲型二氧化碳激光器的技术优势。在工业打标领域,由于超脉冲功率高、脉宽短,且光斑质量更佳,因此激光的热传导效应在材料表面产生的应力很低,尤其在高破坏阈值或者易炸裂的材料加工中有很好的效果,例如普通玻璃、陶瓷等。                                   
   (Access Laser超脉冲激光器用激光陶瓷打标专用涂料进行陶瓷打标)
  
(Access Laser超脉冲型激光器应用在塑胶瓶打标)
                                                              
接下来我们主要分析一下超脉冲型二氧化碳激光器在能耗方面的优势:
1、在射频电源的输入功率上超脉冲型激光器具有节能的优势。以25-30W功率段为例,传统的连续型激光器的输入功率为400-500W之间。而相应的Access Laser的SP30型超脉冲激光器的输入功率仅有250W,相比之下能量节省了40%-50%。若按生产线每天激光器工作12小时、工业用电每度1.5元计算,每年每台超脉冲型激光器可比相应的连续型激光器节省约1500元的电费。
2、在材料加工的能量消耗上,超脉冲型激光器可以大幅降低不必要的能量损耗。以飞行打标为例,根据其短时间内能量集中输出的特点,超脉冲激光在材料上的作用为圆锥形的坑,因此一系列超脉冲激光产生的效果就是一排圆锥形的坑。而连续型激光由于激光输出模式的局限性,其作用效果相当于在材料表面挖了一条沟,因此在取得同样的打标字迹清晰可辨的效果时,所需要加工的材料体积远远大于超脉冲激光,激光能量自然也相应要求得更多,因而在飞行打标所要求的速度方面也就不如超脉冲激光。
我们可以用简单的数学推导来证明这一结论:
    一般的飞打基本都要求打点阵。以此为例,我们假设激光作用在材料上的光斑直径 ,两个作用点之间的距离 ,打出的坑/沟深度为 。若超脉冲激光打每个字符需要打 个圆锥形坑,则连续型激光打每个字符需要的长度 (非闭合型字符)或 (闭合型字符),为计算方便统一取 。
    因此,超脉冲激光每打一个圆锥形坑的体积为:
    
    打一个字符所处理材料的体积为: 。
    对于连续型激光器,打一个字符所处理材料的体积为:
    。
    由此可以得出,在能够满足同样要求的情况下,超脉冲型激光器所需要的激光能量仅为连续型激光器的1/3。
    现在我们再考虑打标速度的因素。
    一般生产流水线的飞行打标的平均速度 假设为每小时 个包装,换算下来为每分钟 个或每秒 个。
    如果每个包装上需要打 个字符,并且需要打标的区域和生产线总长比例为 ,则实际打标过程的速度应为平均速度的 倍。我们可以推算出所需要的超脉冲频率为:
    。
    也就是说,超脉冲型激光器在 频率的情况下能够满足每小时打 个包装的要求。而超脉冲打标所需的激光能量仅为连续型激光器的1/3,因此超脉冲激光器完全可以满足更高的飞打速度。
    由此可以看出,超脉冲型激光器在能耗方面大大优于连续型激光器。对于倡导低碳、低能耗生活的今天,超脉冲激光技术无疑具有积极的意义。
    最后,超脉冲型二氧化碳激光器还具有极大的价格优势。如前所述,设备商及终端用户在需要同样的打标效果时不一定要选用连续型激光器。如果选择能达到相应功率的超脉冲型激光器,其价格不仅比连续型激光器便宜1/3,考虑到长期使用的能耗因素,超脉冲型激光器在打标领域的优势便不言而喻了。
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