红外与紫外激光打标机对复合材料激光打标性能的影响

Effect of Infrared and Ultraviolet Laser Marking Machines on Laser Marking Performance of Composites

摘要

采用最高功率为30 W的红外激光打标机与额定功率为1 200 W的紫外激光打标机，对滑石粉改性阻燃聚丙烯（PP）料、阻燃聚碳酸酯（PC）料、玻纤增强阻燃聚酰胺（PA）料进行打标测试，研究不同的激光打标设备，不同的打标工艺对材料打标效果的影响与差异。结果表明：紫外激光打标机的打标效果整体上优于红外激光打标机，标记效果PC>PP>PA。对于常用的PP、PC材料，采用红外激光打标设备进行打标更具性价比；而对于耐热性好的玻纤增强阻燃PA材料，采用紫外激光打标机打标更为合适。

Abstract

Test the lasering marking performance on talc-modified flame-retardant polypropylene (PP) material, flame-retardant polycarbonate (PC) material, and glass fiber reinforced flame-retardant polyamide (PA) material by using an infrared laser marking machine with a maximum power of 30 W and an ultraviolet laser marking machine with a rated power of 1 200 W. The influence and difference of different laser marking equipment and different marking processes on the marking effect of materials are studied. The results show that the lasering effect of the ultraviolet lasering marking machine is better than that of the infrared lasering marking machine as a whole, and the lasering effect is PC>PP>PA. For commonly used PP and PC materials, it is more cost-effective to use infrared laser marking machine for lasering, while for glass fiber reinforced flame-retardant PA materials with good heat resistance, ultraviolet lasering marking machine is more appropriate.

Graphical abstract

关键词

红外激光打标机 / 紫外激光打标机 / 聚丙烯 / 聚碳酸酯 / 聚酰胺

Key words

Infrared laser marking machine / Ultraviolet laser marking machine / Polypropylene / Polycarbonate / Polyamide

激光打标机是一种利用激光束对工件表面进行标记、切割或打孔的设备^[1]。其原理是利用高能激光束对工件表面进行材料去除或炭化，从而实现标记或切割的目的^[2-5]。该设备涵盖激光发射、激光聚焦与控制系统等基础构成。激光打标机的基本概念包括激光发射、激光聚焦和控制系统。在实际作业中，激光光源经光学系统聚焦成高能量的密集光束，随后由控制系统精准操控，对工件表面进行打标^[6]。

激光源可产生高能量、高单色性的激光光束，通常采用固体激光器、半导体激光器或CO₂激光器进行发射。激光光源包括红外光源与紫外光源^[7]。红外线的波长在1 064 nm左右，适用于材料切割、雕刻和打标；紫外线的波长为355 nm的短波，适用于超细打标、雕刻，食品、医药包装材料打标^[8-10]。

在塑胶材料领域，聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)因在日常生活中的应用广泛，要求材料具备优异的打标性能。鉴于不同材质适配的打标设备与工艺不尽相同，红外激光与紫外激光打标设备虽均能对PP、PA、PC料进行打标，但实际打标效果有所差异。本实验重点研究红外激光设备与紫外激光设备对PP、PA、PC料实际打标效果的差异，深入分析这三种材料更契合的打标设备。鉴于常用的材料大多需要改性后再使用，实验选用行业应用最广的改性方案，即PP料选用质量分数为20%滑石粉填充改性的白色阻燃PP，PA料选用质量分数为30%玻纤改性的白色阻燃PA，PC料选用为白色阻燃V0级PC，且均未混入打标助剂。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，TD40-2802，上海日之升科技有限公司；PC，C2NH-04，中广核俊尔新材料有限公司；PA，PA-P6/WA140，中广核俊尔新材料有限公司。

1.2 仪器与设备

注射机，MA900/260，海天塑机集团有限公司；分光测色仪，CS-610B，杭州彩谱科技有限公司；红外激光打标机，KM30，大族激光科技产业集团股份有限公司；紫外激光打标机，UV-3K，大族激光科技产业集团股份有限公司；自动影像测量仪，VMC432，天准精密技术有限公司。

1.3 样品制备

称取3 kg PP复合材料，置于80 ℃烘箱中烘干2 h，在230 ℃下，注塑成2 mm厚色板；称取3 kg PC复合材料，置于100 ℃烘箱中烘干4 h，在290 ℃下，注塑成2 mm厚色板；称取3 kg PA复合材料，置于100 ℃烘箱中烘干4 h，在260 ℃下，注塑成2 mm厚色板。

1.4 性能测试与表征

利用红外激光打标机和紫外激光打标机，在样品色板表面刻蚀出直径为15 mm的实心圆，并调整工艺参数，即可获得一系列圆形图案。

采用分光测色仪与自动影像测量仪对标记图案进行测定与观察，对比激光打标前后材料刻蚀处的明暗度变化(ΔL)、激光打标前后材料刻蚀处的色差变化(ΔE)以及对应标记图案处的微观形貌，评价材料的激光打标效果。

2 结果与讨论

2.1 打标工艺验证方案设计

红外与紫外激光打标设备功率上的差异较大，难以调整至相同功率，加工方式也存在差异。红外激光的单光子能量小，利用激光振动材料分子产生热作用，使材料先溶解再挥发，产生刻痕，属于热加工方式；紫外激光的单光子能量大，激光能够直接打破材料分子化学键，产生刻蚀，属于冷加工方式^[]。表1为打标工艺验证方案设计。通过实验验证，影响材料打标效果的设备参数主要有打标距离、打标次数、打标速度、打标功率、Q频、填充间距等。采用最高功率为30 W、波长1 064 nm的红外激光打标机与额定功率为1 200 W、波长355 nm的紫外激光打标机。按照表1的工艺方案，对PP、PC、PA料进行激光标记，筛选出最佳工艺的同时，对比不同设备下的标记效果，并分析实验结果。

2.2 红外激光打标设备的激光打标效果

红外激光打标机相对紫外激光打标机，价格更低，适应力更强，可对多种材料进行打标。因此，红外激光打标设备是大多数企业的首选，应用更为广泛。该设备的加工方式为“热加工”，即利用高能量激光束照射至被加工的材料表面，材料表面吸收激光能量后，在照射区域内产生热激发过程，导致材料表面(或涂层)温度上升，进而出现形变、熔融、烧蚀、蒸发等现象。此外，若红外激光设备的工艺参数设置不当，容易出现烧焦、熔池等标记不良现象^[11-14]。

采用预先制备好的PP、PA、PC色板，在红外激光打标设备上进行打标测试，按表1中红外工艺参数进行打标，图1为PP、PA、PC的红外激光打标图案。通过影像测量系统对图1的标记图案进行观察分析，图2为PP、PA、PC料激光打标图案微观照片。

从图1和图2可以看出，对于PP料，对比A、B、C、D工艺，红外激光打标图案颜色深度随激光功率降低而逐渐变浅；对比E、B、F工艺，图案颜色深度随激光打标速率的降低而加深；对比B、G、H工艺，Q频越高，则填充间距越大，打标图案颜色深度越浅。而对于PA料，使用最高功率为30 W的红外激光设备时，无论采用任何工艺参数，均难以在材料表面标记出清晰的图案，仅能够形成较浅的刻痕；放大图案后，可观察到激光刻蚀的点较浅且分布稀疏。这主要是因为PA料具备良好的耐热性能，受热影响较小；同时，阻燃剂受热分解过程中吸收了部分热量，导致红外激光照射在材料表面的能量被部分吸收，最终仅能在PA表面形成轻微的颜色标识。而对于PC料，其碳含量高，容易受热分解炭化，形成深邃的颜色标记^[15]。PC料的打标规律与PP料一致，但整体颜色更深，在相同工艺下，激光在PC板上刻蚀的点比PP更深更密集。

对3种材料红外激光标记图案进行色差测试，表2为PP、PA、PC料红外激光打标颜色数据。从表2可以看出，在相同工艺下，ΔL(PC)>ΔL(PP)>ΔL(PA)，ΔE(PC)>ΔE(PP)>ΔE(PA)，且PA料的ΔL、ΔE较小，最大色差为4.53，无法与原色板色差形成鲜明的对比，激光标记效果差。而PP料、PC料ΔL、ΔE均较大，PP料激光打标最大色差ΔE达33.73，PC料激光打标最大色差ΔE达56.36，红外激光标记效果较好。因此，使用最高功率为30 W的红外激光打标机对滑石粉改性PP料、阻燃PC料有较好的标记效果，但对玻纤增强阻燃PA料标记效果较差，标记效果PC>PP>PA。

2.3 紫外激光打标设备的激光打标效果

紫外激光打标机的激光波长为355 nm，这一波长是紫外激光器通过专业技术在红外1 064 nm波长的基础上倍频后得到的^[16]。因此，紫外激光器的生产成本与技术难度均远高于红外设备，设备售价也更高。该设备利用高能量激光束瞬间作用于材料表面，使材料瞬间熔化蒸发，留下相应的标记^[17]。由于其短波长特性，聚焦后的光斑直径更小，能量更加集中，电光转换效率高，光束质量好。

紫外激光打标设备的加工方式为“冷加工”，是利用具有高负荷能量的(紫外)光子，打断材料(特别是有机材料)或周围介质中的化学键，使材料发生非热过程破坏。这种冷加工的激光标记方式不会产生热烧蚀，也不会使材料表面或附近区域的发生热损伤、热变形等，加工后的材料边缘光滑，碳化程度极低，具有高精细度和较低的热影响^[18-19]。

本实验利用制备好的PP、PA、PC色板，在额定功率为1 200 W的紫外激光打标设备下进行打标验证，按表1中紫外工艺参数进行打标，图3为PP、PA、PC紫外激光打标图案。对打标图案进行放大以及颜色测试，图4为PP、PA、PC料紫外激光打标图案微观图，表3为PP、PA、PC料紫外激光打标颜色数据。

从图3可以看出，额定功率下，对比I、J、K工艺，打标图案颜色深度随打标速度降低而变浅，PP色差ΔE从39.41降至36.93，降低2.48；PA色差ΔE从27.41降至26.26，降低1.15；PC色差ΔE从40.52降至30.15，降低10.37，打标图案清晰。而对比J、M、N工艺可以看出，填充间距增大，紫外标记颜色更深；Q频越大，颜色越浅，且不同工艺下色差ΔE数值排序为：M>J>N。

从图4可以看出，J工艺激光刻蚀的点比M工艺更为密实，点与点之间距离太近，相互影响、覆盖，导致颜色变浅；而Q频是激光器每秒钟输出的脉冲个数，Q频越大，聚能时间越短，能量弱，打标出的点致密，因此，N工艺颜色比J工艺更浅。

从表3可以看出，额定功率为1 200 W的紫外激光打标机对滑石粉改性PP料、阻燃PC料、玻纤增强阻燃PA料均有较好的标记效果。由于玻纤增强阻燃PA料的硬度、耐热性与刚性均高于PP、PC料，导致其打标图案颜色深度低于PP、PC；而PC料易于成炭，标记颜色更深。

2.4 红外激光打标设备与紫外激光打标设备的打标效果对比

分别采用两种激光打标设备进行打标图案的色差测试，对红外E、B、F、G、H工艺与紫外I、J、K、M、N工艺下色差ΔE进行对比。表4~表6为PP、PA、PC料不同设备激光打标图案色差对比结果。从表4~表6可以看出，紫外激光打标机对改性PP、PA料的标记效果优于红外激光打标机，最佳工艺为M；而红外激光打标机对改性PC料的标记效果优于紫外激光打标机，最佳工艺为F。对于材料打标不良的情况，一般材料厂商都是选择添加激光打标助剂的方式改善打标效果。但市面上的打标助剂价格昂贵，且细腻的打标助剂常因挤出造粒时分散不均，容易在白色塑件表面出现麻点等质量问题。因此，选用合适的打标工艺与打标设备，不仅可以节约制造成本，同时还可降低质量风险，提高生产效率。

3 结论

最高功率为30 W的红外激光打标设备对滑石粉改性PP料、阻燃PC料有较好的标记效果，对玻纤增强阻燃PA料标记效果较差，标记效果PC>PP>PA。额定功率为1 200 W的紫外激光打标机对滑石粉改性PP料、阻燃PC料、玻纤增强阻燃PA料都有较好的标记效果，标记效果PC>PP>PA。对比两种打标设备，紫外激光打标机的打标效果整体上优于红外激光打标设备，但结合激光打标设备的销售价格，对于常用PP、PC料，采用红外激光打标设备进行打标更具性价比；而对于耐热性好的阻燃PA料，采用紫外激光打标打标更为合适。

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