4.4.4. Лазерная маркировка
В основном, ремонтном и вспомогательном производстве предприятий широко используют различные способы маркирования деталей, нанесение надписей при изготовлении лимбов, шкал на измерительных приборах и приспособлениях.
Для этого используют разные технологии, основанные на нанесении изображений красками, ударным методом, электрохимическим, электроэрозионным способами и т. д.
Широкие перспективы в этом плане имеет лазерная маркировка, обеспечивающая возможность быстрого нанесения на изделия высококонтрастных нестираемых надписей. Для маркирования применяют лазеры небольшой мощности, твердотельные, компактные диодные, несложные в обращении и экономичные.
Лазерная маркировка основана на удалении поверхностных слоев или изменении их цвета либо структуры под действием излучения. В месте воздействия лазерного излучения на поверхности тела развиваются высокие температуры, при которых испаряется небольшая часть материала. Визуально это воспринимается как темная или светлая точка.
При лазерном излучении на поверхность тела окружающие части практически не нагреваются, поэтому коробления маркируемой детали не происходит. Это выгодно отличает лазерную маркировку от других методов.
Бесконтактность позволяет сравнительно легко организовать маркировку, а программное задание маркируемого рисунка дает возможность оперативно менять наносимые знаки, что ставит лазерную маркировку вне конкуренции при небольших объемах производства и большой номенклатуре выпускаемых изделий. Информацию на детали и изделия из любых твердых материалов можно наносить буквенно-цифровыми шрифтами, кодовыми и произвольными изображениями с возможностью масштабирования.
Существенным преимуществом лазерной маркировки является возможность нанесения надписей на труднодоступные участки поверхностей. Она незаменима при маркировании деталей из хрупких, твердых материалов, а также изделий малых и сверхмалых размеров. Операция маркировки реализуется по программе путем сканирования луча или проекции маски.
Практика показывает, что лазерная маркировка, выполненная на оптимальных щадящих режимах, незначительно снижает усталостную прочность деталей либо практически не влияет на нее.
На рис. 4.99 приведены основные схемы лазерного маркирования. Наиболее распространена схема рис. 4.99, а. Излучение лазера с помощью двух поворотных зеркал направляется на неподвижную деталь. Управляя зеркалами по программе, можно получить любую надпись или рисунок. Поле обработки такого устройства обычно составляет 50 х 50 или 100 х 100 мм.
Другая часто используемая схема приведена на рис. 4.99, б. Здесь лазерный луч неподвижен, а деталь перемещается на координатном столе, управляемом программой ЭВМ.
Рис. 4.99. Блок-схемы устройств для маркирования:
а — сканаторные; б — с координатным столом; в — планшетные; г — барабанные
Еще один способ маркирования — использование летающей оптики, когда координатный стол перемещает каретку с укрепленными на ней поворотными зеркалами и объективом над неподвижной деталью (рис. 4.99, в).
На рис. 4.99, г изображен маркер барабанного типа. В нем лазерный луч с помощью системы зеркал перемещается вдоль барабана, на котором укреплена обрабатываемая деталь. Управляя затвором, который включает и выключает лазерный луч, можно получить изображение любой степени сложности с очень высоким разрешением. Именно такие схемы сканирования используют для получения офсетных форм в полиграфии.
Для маркировки можно применять практически все промышленные лазеры.
Это связано с тем, что разные материалы по-разному обрабатывают излучением неодинаковых длин волн. Оборудование на базе СО2-лазеров мощностью свыше 500 Вт используется для маркировки крупных деталей через металлические маски. Этот метод маркировки применяют не часто. Отпаянные импульсные и непрерывные СО2-лазеры мощностью до 100 Вт — наиболее широко применяемые для маркировки в связи со сравнительно низкой стоимостью, делающей оборудование на базе таких лазеров сравнимым с оборудованием для механической гравировки. Срок жизни современных лазеров этого типа составляет до 10000 ч работы, что исключает необходимость их замены в процессе эксплуатации и снижает эксплуатационные расходы.
Недостаток — излучение СО2-лазера хорошо отражается металлами, поэтому их применяют, когда на поверхности металла имеется покрытие из краски или химических соединений.
Особо стойкие маркировки получают импульсно-периодическими лазерами. В частности, для идентификации деталей, где требуется затруднить уничтожение оригинальной маркировки.
Также широко применяют для маркировки непрерывные твердотельные лазеры с акустооптической модуляцией добротности. Излучение их представляет последовательность импульсов, следующих с частотой от 1 до 50 кГц. При средней мощности лазера 10...20 Вт энергия отдельного импульса составляет от 1 до 10 мДж, однако за счет малой длительности (порядка 200 не) мощность в импульсе может быть 108 Вт. При фокусировке в пятно с характерными размерами 100 мкм реализуется плотность мощности, достаточная для мгновенного испарения материала с поверхности в месте воздействия импульса. Лазеры рассматриваемого типа могут использоваться как для работы по покрытиям, так и по чистой поверхности металлов.
Часто применяют лазеры ЛТИ-502 (другое наименование ГОИ-16), ЛТИ-505Р фирмы Пульсар, RL-30Q фирмы ELS.
Лазерная маркировка может выполняться импульсным твердотельным лазером в режиме модуляции добротности. Излучение таких лазеров представляет короткий (5...20 не) импульс. Плотности мощности на поверхности материала развиваются такие, что возможно удаление материала со значительных поверхностей за один импульс. Это важно при маркировке массовой продукции, когда требуется обеспечить высокую производительность. Маркировка совершается, как правило, проецированием на деталь маски с изображением. Маска засвечивается широким пучком так, чтобы не затрагивать ее материала. Далее изображение переносится уменьшающей оптической системой на поверхность.
Производительность во многом определяется скоростью перемещения луча по поверхности детали. Такое перемещение осуществляется устройствами, называемыми сканаторами.
В табл. 4.16 приведены рекомендации по выбору скорости маркировки различной высоты шрифтов для получения максимальной глубины отпечатка при нанесении информации на изделия.
Таблица 4.16
Высота шрифта, мм |
Глубина маркировки, мм |
Скорость маркировки, знак/мин |
1 |
0,1 |
300 |
3 |
0,1 |
95 |
5 |
0,1 |
50 |
10 |
0,1 |
28 |
Рис. 4.100. Примеры маркировки шкал мерительного и режущего инструмента
Лазерный метод нанесения информации позволяет существенно снизить трудоемкость процесса, повысить качество информации и гарантировать ее сохранность на период эксплуатации. Ширина штриха может устанавливаться в интервале 0,05... 10 мм.
На рис. 4.100 показан пример лазерной маркировки.