何元錦，莫錦鵬，麥偉宗，王春江

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

激光打標(biāo)是利用激光的熱效應(yīng)燒蝕掉物體表面材料從而留下永久標(biāo)記的技術(shù)，是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型的加工技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的電化學(xué)、機(jī)械等標(biāo)記方法相比，激光打標(biāo)具有無污染、高速度、高質(zhì)量、靈活性大、不接觸工作面等優(yōu)點(diǎn)。近年來，激光打標(biāo)已取代傳統(tǒng)的打標(biāo)方式而成為常規(guī)的加工方式，在眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

聚碳酸酯（PC）是一種以雙酚、光氣及其衍生物為單體聚合而成的合成熱塑性樹脂。PC具有優(yōu)異的耐熱性能、透明性、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于電子、電氣、建筑、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域[2-3]。由于具有高強(qiáng)度及彈性系數(shù)、熱變形溫度高、電氣特性好等優(yōu)點(diǎn)，PC與其他塑料相比更為適用于激光打標(biāo)[4-5]。在未經(jīng)改性處理的情況下，聚碳酸酯制品可以被激光標(biāo)記，但未改性處理聚碳酸酯的激光標(biāo)記結(jié)果并不理想，對比度不明顯，標(biāo)記分辨率也很低，無法得到比較精細(xì)的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榧す馀cPC材料接觸后容易穿過透明的PC材料，未能將大部分激光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，無法在PC表面發(fā)生氣泡或碳化。

為了更深入地了解PC材料的打標(biāo)性能，本研究通過改變激光打標(biāo)設(shè)備的功率與工作頻率，研究激光打標(biāo)工藝對改性PC打標(biāo)效果的影響，對改性PC材料的激光打標(biāo)性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

將潤滑劑、阻燃劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、抗滴落劑、鈦白粉、激光打標(biāo)助劑按配方比例（見表1）作預(yù)混合，然后將其與PC樹脂在混合機(jī)中摻混5min～6 min 。混合料在指定工藝參數(shù)下經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，得到可激光打標(biāo)阻燃PC樣品。

表1 樣品配方Table 1 Formula of PC sample

將樣品放入鼓風(fēng)式烘箱，在120℃±5℃溫度下烘1h。然后將烘干后的產(chǎn)品用注塑機(jī)按照相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)注塑成測試標(biāo)準(zhǔn)樣條，注塑溫度為290℃±5℃，冷卻后24h后進(jìn)行相關(guān)性能測試。

1.2 測試條件

激光打標(biāo)測試在華工激光LSF20Y型激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行，通過顯微鏡觀察激光打標(biāo)效果。LSF20Y型激光打標(biāo)機(jī)的激光器為Nd:YAG激光器，發(fā)射的激光為1.064微米的紅外激光。采用光學(xué)顯微鏡觀察激光打標(biāo)后改性聚碳酸酯樣品的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光器的功率對PC樣品的可激光打標(biāo)性能的影響

根據(jù)目前激光打標(biāo)技術(shù)平臺(tái)條件，我們選取了激光發(fā)生器的功率和頻率作為本研究的工藝考察參數(shù)。激光器的功率與其激光能量的強(qiáng)度直接相關(guān)，這對打標(biāo)效果有著直接的影響。不同功率下激光打標(biāo)后PC樣品的表面形貌如圖1所示。顯然，功率越高，激光器發(fā)射的激光能量越大，PC樣品表面受到激光的作用越強(qiáng)烈。本研究采用10%、20%、30%、40%、60%和100%等6個(gè)功率對PC樣品進(jìn)行激光打標(biāo)，其打標(biāo)后的表面形貌如圖1所示。當(dāng)激光器功率為10%時(shí)，樣品打標(biāo)后能出現(xiàn)均勻排列的黑點(diǎn)，其對比度略低。當(dāng)功率為20%時(shí)，樣品表面的黑點(diǎn)直徑變大，對比度明顯提高。然而當(dāng)功率提升至30%～60%時(shí)，雖然激光器仍可在PC表面打出黑點(diǎn)，但是黑點(diǎn)周圍的表面均出現(xiàn)了明顯的熔融變形?？梢姶藭r(shí)激光器功率過高，激光對材料表面造成了不必要的損傷。當(dāng)功率升至100%后，樣品上無明顯的黑點(diǎn)結(jié)構(gòu)，整個(gè)表面已被激光燒焦。

圖1 不同功率下激光打標(biāo)后PC樣品的表面形貌Fig. 1 Morphology of different laser-marking PC samples with different powers

我們運(yùn)用色差儀對不同功率下打標(biāo)后樣品表面的L、a、b值進(jìn)行測量，其結(jié)果見表2。隨著功率的增加，樣品表面的L值從61.3（10%）降低至44.6（100%）。這表明隨著功率的增大，激光對樣品表面的變黑的效果越來越強(qiáng)。當(dāng)功率較低的時(shí)候（10%～30%），樣品表面b值低于1，即樣品表面偏藍(lán)，這表明打標(biāo)助劑在較低的激光下會(huì)發(fā)生反應(yīng)從而發(fā)黑。然而，功率的增大也導(dǎo)致樣品表面的b值由0.1（20%）增大至6.8（100%），這表明樣品在較高功率的激光下發(fā)生明顯的降解發(fā)黃。

表2 不同功率下激光打標(biāo)后PC樣品的顏色參數(shù)Table 2 Colorimetric data of different laser-marking PC samples with different powers

2.2 激光器的頻率對PC樣品的可激光打標(biāo)性能的影響

激光器的頻率是指1s內(nèi)激光器發(fā)射激光的次數(shù)，頻率越高，PC樣品表面打標(biāo)點(diǎn)越密。本研究采用20kHz、25kHz、30kHz、50kHz和70kHz等5個(gè)頻率對PC樣品進(jìn)行激光打標(biāo)，其打標(biāo)后的表面形貌如圖2所示。當(dāng)頻率為20kHz時(shí)，PC樣品黑點(diǎn)的密度相對稀疏，其形貌也相對清晰，然而隨著頻率的增大，樣品表面的黑點(diǎn)密度增大，對比度有所下降，黑點(diǎn)的形貌清晰度也有所下降。對于Nd:YAG型激光器而言，激光器頻率越高，其發(fā)射的激光脈沖峰值越低。因此，激光器頻率增大，每個(gè)點(diǎn)的激光作用時(shí)間變短，PC表面吸收激光的能量減少，PC樣品在激光作用下焦化發(fā)黑程度減少，受熱熔融發(fā)泡的程度增多，PC變黑的程度有所下降。不同頻率下激光打標(biāo)后PC樣品的顏色參數(shù)（表3）也反映了同樣的問題。雖然，隨著頻率的增大樣品的a、b值變化不大，但是樣品的L值明顯上升（即樣品的顏色偏白）。這表明隨著頻率的增大樣品表面吸收激光發(fā)黑的程度明顯，這一現(xiàn)象也與上文的分析相一致。

圖2 不同頻率下激光打標(biāo)后PC樣品的表面形貌Fig. 2 Morphology of different laser-marking PC samples with different frequencies

表3 不同頻率下激光打標(biāo)后PC樣品的顏色參數(shù)Table 3 Colorimetric data of different laser-marking PC samples with different frequencies

3 結(jié)論

通過改變激光打標(biāo)設(shè)備的功率與工作頻率，研究激光打標(biāo)工藝對改性PC打標(biāo)效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)功率為20%時(shí)，樣品表面的黑點(diǎn)直徑變大，對比度明顯提高，功率過高會(huì)使材料表面黑點(diǎn)周圍出現(xiàn)了明顯的熔融變形，顏色也會(huì)偏黃；隨著頻率的增大，樣品表面的黑點(diǎn)密度增大，對比度有所下降，黑點(diǎn)的形貌清晰度也有所下降。