CO₂激光雕刻几种非金属材料的参数探讨

武文一　李菊丽　秦录芳

【摘 要】本文采用单因素实验法对亚克力板、即时剪纸、木板和玻璃等材料在适合雕刻范围内的参数进行了研究，通过比较、分析雕刻效果，找出每种材料最佳雕刻工艺参数，为CO2激光雕刻的实际应用提供技术参考，具有一定的实际意义。

【关键词】CO2激光器；激光雕刻；工艺参数

中图分类号： TS932 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0251-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.121

激光技术是20世纪60年代发展起来的一项重大科技成果，它的出现深化了人们对光的认识，扩展了光为人类服务的领域。目前，激光加工已广泛地应用于切割、打孔、焊接、表面处理、快速成形、电阻微调、激光雕刻等方面[1-4]。激光雕刻是80年代兴起的一门崭新的工业加工技术，由于其加工速度快、字迹清晰永久、无污染、无磨损等优点，被广泛应用于军工、机械、电子、汽车、广告美术等行业 。一些发达国家已将该技术作为工业加工的标准工艺之一。

激光雕刻有三种方式：CO2激光雕刻， Nd：YAG激光雕刻，准分子激光雕刻。这三种激光雕刻技术都在某些方面体现了它们各自的特性和优点， 所以有不同的应用领域。YAG激光器在金属材料加工中具有优势， 准分子激光在微细、高精密加工方面具有优势，而非金属材料如塑料、木材、布匹、橡胶等， 对CO2激光波长吸收率较高， 利用CO2激光器雕刻具有优势。CO2激光器波长10.6μm，能有效地在木材、有机玻璃板、塑料薄板等进行文字图案的切割与雕刻，可雕刻出任意图形，在雕刻过程中没有切屑，没有工具磨损与噪声，加工的边缘没有撕切和绒毛，具有操作简单、工序少、生产周期短、劳动强度低、字体、字型规范丰富等一系列优点 。激光雕刻参数研究有利于提高雕刻加工时的效率。本文通过单因素实验法对亚克力板、即时剪纸、木板和玻璃等材料在适合雕刻范围内的工艺参数进行了研究。

1 实验材料与方法

1.1 实验设备

本实验采用GM-960A型CO2激光雕刻机，它主要由CO2激光管、伺服系统、工作台、导轨、电源、冷却系统、排气系统等组成。最大雕刻范围900mm×450mm，雕刻工件最大厚度20mm，雕刻速度0～80mm/s， 机械分辨率0.025mm， 重复精度0.01mm，激光器功率>60w。

1.2 实验材料

所用的材料有亚克力板（厚度为2mm）、木板、即时剪纸、玻璃等。其中亚克力板用途比较广泛，可用于装饰、纪念品等；其次是即时剪纸，它主要用广告牌设计、大型条幅粘贴、室内装饰等方面；木板主要是在它的表面雕刻图案和文字，可以制作出较美丽的文化用品；由于玻璃属于脆性材料，所以对此仅作雕刻和打标方面的研究。

1.3 实验方法

激光雕刻机在雕刻时影响加工效率的主要是速度和光强，本实验采用单因素法研究适合不同材料的雕刻速度和光强。

亚克力板，先设定一个具体的光强值来改变速度，把所得到的结果记录到预先制作的表格中，每次变化量为10%。沟边和清扫分开进行，对每一个样本贴上标号以便进一步研究。

即时剪纸等纸类，由于厚度较小，在改变光强和速度参数时每次变化量为1%，同时还要改变输入激光雕刻机软件中雕刻深度的数值，也取每次变化量1%。

木板，采用和亚克力板相同的实验方案。

玻璃，属于脆性材料，不做沟边研究，清扫时也采用与亚克力板相同的实验方案。

根据所记录的数据总结实验规律，观察样件的雕刻效果。目测可判断一部分雕刻效果，效果接近的使用仪器检测，如用显微镜观察清扫笔画失真程度，用测量表面粗糙度的仪器测量沟边样本轮廓的粗糙度等。

2 结果与讨论

2.1 亞克力板雕刻参数实验与分析

2.1.1 亚克力板阴刻清扫

阴刻清扫，激光头的运动方式选择单向水平雕刻；输入图片采用PLT格式，此类文件属于矢量图，它是根据笔画颜色不同而进行不同的属性设置，用于勾边的实质是将图形的外框直接转换为激光的雕刻路径，清扫方式的实质同勾边一样的，是将图形填色部分通过填满等距离平行线而实现的。

雕刻机的性能，主要由雕刻速度、雕刻强度（激光光强）和光斑大小而决定。利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的输出软件来调节，范围1%～100%，调整幅度是1%；雕刻强度指照射到材料表面激光的强度，对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的输出软件来调节。在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻，大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，并可用于矢量切割。本实验光斑大小已经调好，在实验过程中不变，因此在实验过程中仅调节雕刻速度和强度这两个参数。由于雕刻速度过快时，激光头的空行程比较大，雕刻的效果差，效率很低，所以速度大于60%不做记录。表1为亚克力板雕刻参数清扫时速度和光强关系数据记录。在显微镜下观察三种具有代表性的样本，如图1所示。

由这些显微镜图片可以看出，光强小速度大时清扫不完全，出现高低不一致的突起；光强太大速度太小时，清扫的边沿被过度熔化，只有在合适的参数才能清扫出较好的效果，此参数是：光强80%，速度30%。

2.1.2 亚克力板阳刻清扫

阳刻清扫，输入图片一种是用BMP格式的文件，另一种是在CorelDRAW软件中制作出PLT格式的文件，此格式文件用于阳刻可以留出边框，有利于刻章或工艺品。激光头的运动方式选择单向水平雕刻。由实验结果可以得出这样的结论：阳刻清扫光强为80%，速度30%为最佳的参数。

2.1.3 亚克力板勾边

亚克力板勾边实验见表2。

由表2结果可知，速度大于3%时，无论什么样的光强都不能刻透，所以在沟边时的速度要小；刻透的样件边沿轮廓的粗糙度也不一样，用测量表面粗糙度的方法进一步测量样本勾边效果（表3）。

由表中数据得知，相同的速度时光强越大勾边时边沿的质量越好；相同的光强时速度越小勾边时轮廓的质量越好。一般勾边时取光强为80%，速度为2%。

2.2 即时剪纸雕刻参数

即时剪纸在广告牌设计、大型标语粘贴、室内装饰等方面应用很广泛，以前用针型刻字机来实现，现在用激光雕刻来做大大减少了成本。通过实验得知，在切割即时剪纸时机器光强10%，速度5%较为合适。

2.3 木版雕刻参数实验与分析

木版雕刻是在木版的表面刻一些图案和文字，木版的厚度不大时还可以切割，但是厚度大时由于炭化较严重会使木板边沿变黑。对木材而言，理想情况是被激光去除的材料瞬间气化，加工速度快，热量传输不到未加工的基材，雕刻面无炭化，仅有轻微发暗和釉化。实际加工过程中，由于受激光输出功率波动或光束模式的影响，在瞬间气化的同时会伴有燃烧过程。由实验得知，木版厚度<3mm时可以被刻透并且边沿不会发黑。有许多激光雕刻公司就是利用激光雕刻的这种识别能力强、雕刻精度高的特点来制造文化礼品，图3是一个用激光雕刻机雕刻出来的很美观的礼品，具有很高的收藏价值。本实验使用三合板，通过实验得出：阴刻清扫光强80%，速度30%。

2.4 玻璃雕刻参数实验与分析

激光是通过去除玻璃表面局部材料来实现玻璃雕刻或打标的，因而在玻璃上出现微量的裂纹是允许的，但过量的裂纹会导致标记不清晰、材料强度下降，更严重的是导致基片变疏松。在雕刻或打标过程中精确控制材料的裂纹量就能避免这些问题，一般有三种方法可用于控制玻璃表面上产生的裂纹类型和数量。

第一种是采用多次激光辐射。采用一次激光辐射可在玻璃上产生轮廓鲜明的可见标记，但是标记打印之后，一些微裂纹和应力将向垂直于激光移动的方向扩展，会扩展到原标记外附近区域形成碎片，从而影响标记的清晰度。利用多次激光辐射，使与标记区域相邻的区域通过热传导被加热，从而使这些区域形成应力梯度，减少二次破裂的可能性。采用这种方法在钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃上打标十分有效。

第二种方法是利用一系列环状裂纹形成文字、条形码、方块或矩形码以及其他形状码图案。玻璃通过加热和冷却循环产生低密度环状裂纹。玻璃被加热时膨胀挤压周围材料，当温度升高到软化点温度时，玻璃快速膨胀形成一个低密度材料的凸出玻璃表面的圆顶。由于光斑能量呈高斯分布，因此光斑中心处的温度较高。当这个高温区冷却回到接近起始位置时，在低密度形成区和標准密度区之间的接合处形成稳定的环状裂纹。这种方法适合于在普通光学材料和回火玻璃、化学增强玻璃或者普通钠钙浮法玻璃上打标。

第三种方法也是采用同样的加热和冷却过程，都是使某一特定体积的玻璃表面发生变化。但是此方法所用光斑的尺寸比较大，在两种密度区域接合处的界线没有环状裂纹方法那样分明。这种方法产生的标记不是立即就能看得见的，要求稍微加压之后才开始沿激光标记区域产生格状裂纹。用所产生的无碎片龟裂状条纹填充图案形成文字、图形和各种码。因为这种方法要求纯质表面，所以用于高质量的汽车玻璃打印标记。

本实验使用普通玻璃材料，采用第二种方法。通过实验得到玻璃雕刻（图4）时的最佳参数为：速度30%，光强30%，雕刻深度50。

3 结语

实验采用单因素法，依次对亚克力板、即时剪纸、木板和玻璃等材料进行实验，对实验结果进行记录，从所记录的数据中总结实验规律性的结论，观察样件的效果，用目测判断和仪器检测评判雕刻效果优劣等。

实验结果得到的最优化的参数为：亚克力板2mm厚度的在阴刻清扫和阳刻清扫时光强都选择80%，速度30%，沟边时光强80%，速度2%；即时剪纸在切割即时剪纸时机器光强10%，速度5%。雕刻木板阴刻清扫光强80%，速度30%。速度30%。雕刻玻璃光强30%，雕刻深度50。

由于在机器和雕刻软件中都有光强和速度参数的设置，当在软件中默认速度时实际雕刻速度按机器上设置，在软件中设置时软件参数就是实际雕刻的参数，而机器的参数是无效的；光强在软件没有体现，以机器上参数为准。

【参考文献】

[1]杨立军.激光加工技术的应用现状与未来发展[J].金属加工（热加工），2016（4）：10-12.

[2]郭华锋，李菊丽，孙涛.激光切割技术的研究进展[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2015，30（4）：71-77.

[3]郑锦生，陈松青.激光雕刻技术的发展[J].机床与液压， 2006，（8）：228-231.

[4]白基成，刘晋春，郭永丰，等.特种加工[M].6版.北京：机械工业出版社，2013：141-156.