激光打标实验教学的探索

杨海峰 郝敬宾 刘昊 刘新华

摘  要：实践教学是高等教育的一个重要环节，它是使学生将所学的基础理论知识、专业技术知识与实际应用相结合的过程。激光打标技术是一种在工件上留下永久性标记的打标方法。本文总结了激光打标技术在高等院校及高职院校实践教学过程中的研究进展，提出了激光打标技术在本校实践教学中的应用方案。通过设计实验目标、实验内容，引导学生在学习激光打标原理和激光打标机结构组成和激光打标步骤的基础上，独立开展激光打标实验，形成和加强学生对激光打标机的操作能力和对激光打标原理的理解能力。

关键词：激光打标  本科实践教学  应用方案

激光打标是将需要加工的工件放在高功率密度的聚焦激光束下进行局部照射，使被加工表面材料发生气化或改变表面色泽的化学反应，从而在被工件表面留下永久性文字、图案、刻痕等标记的一种方法。激光打标作为一种高能束加工方法，与化学腐蚀法、电加工、机械加工、丝网印刷等传统的标记方法相比，具有以下特点：首先，激光与工件之间的作用是光与物质相互作用的过程，没有机械加工中的切削力和切削热，热影响区小。由于激光的能量密度高，可以对任何材料进行标记。其次，激光打标的空间选择性和时间控制精度很高，可以获得高精度的精细刻画效果，可以达到毫米甚至微米级的加工精度，且加工方式灵活，可以满足工业化大批量生产的要求。第三，激光加工和传统的丝网印刷相比，没有污染源，是一种清洁无污染的高环保加工技术。因此，激光打标技术已被广泛发应用于各行各业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。

一、激光打标的应用现状分析

相比于傳统的标记方法，激光打标可以刻出精美的图案、商标和文字，主要应用于一些要求更精细、精度更高的场合，如电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通信、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件等的加工过程中。因此，在高校的科研和教学活动中开展激光打标相关的实践教学工作时非常必要的。南阳理工学院李阳老师对面向智能制造的机制专业实验室建设进行了探索与实践，智能制造实验室采用最新工业4.0模式建设，实验室整体为一条智能生产线，融合多种先进制造前沿技术，包含多个模块，模块之间既相互独立又能够有机联系，其中将3D激光扫描及3D打印纳入智能制造实验中^[1]。华中科技大学赵轶老师进行了激光加工综合实训的探索与实践，文中介绍了在工程训练中引入激光加工技术的可行性和必要性。以激光内雕、激光雕刻、激光打标及综合实训项目为例，介绍了如何开展激光加工实践教学，重点探讨了如何在所设课程中既能提高学生兴趣、学生自主设计能力，又能强化工程能力培养，增强学生工程意识^[2]。广东工业大学杜群老师开展了激光打标工程训练的探索与实践，围绕着激光打标机的特点和使用，作者在如何对学生进行实训进行了多渠道多方面的探讨和实践，从中总结出合理的实训方案^[3]。武汉船舶职业技术学院张燕老师从激光打标实训教学的教学目标、教学设计、教学实施等方面介绍了激光打标实训教学中的经验和体会^[4]。结合上述高校开展激光打标课程实践教学和实训教学的经验，本校也进行了相关实验教学的探索和实践。

二、激光打标技术在实践教学中的应用方案

激光打标实验教学以激光打标机的操作为主，通过设计实验目标、实验内容，引导学生在学习激光打标原理和激光打标机结构组成和激光打标步骤的基础上，独立开展激光打标实验，形成和加强对激光打标机的操作能力和对激光打标原理的理解能力。

实验内容主要包括三个方面：掌握激光打标机的系统构成和工作原理、振镜系统的组成和工作原理;采用MarkingMate打标软件对所要标记的内容进行绘图或导入图片;完成零件的激光打标。激光打标机由恒温水箱、电脑及打标软件、振镜、激光器及控制器组成，如图1所示。激光光束通过反射镜将反射的光束平行的通过扫描振镜照射在被打标零件表面。扫描振镜可以通过电脑及打标软件控制激光焦点的方向和扫描速率。激光器为紫外纳秒脉冲激光器，脉宽为7ns、波长355nm。

实验过程主要包含以下五个步骤。首先熟悉设备组成及参数设置原理;然后进行零件的定位，尤其是掌握物镜焦距和零件被加工表面之间的位置关系;第三，在打标软件MarkingMate工作区中绘图或导入图片;第四，输出激光，通过MarkingMate软件控制振镜和激光光束在被打标零件表面的扫描，从而在零件表面留下永久性标记;第五，利用显微成型设备对激光打标的打标质量进行分析，通过优化激光功率、扫描速度和离焦量等参数，获得激光工艺参数对打标效果的影响规律，从而得到最好的激光打标质量。

结语

相比于传统的标记方法，激光打标技术可以雕刻出精美的图案、商标和文字，已被广泛地应用于各行各业，为优质、高效、无污染和低成本的标记方法。通过与本校智能制造综合实验相结合，利用现有激光打标机，开展激光打标实验教学的探索和实践。通过该实践教学，学生能够对激光加工原理、激光性能及使用都有一定的了解和认识，初步掌握激光打标的基本工艺过程和对激光打标质量的分析方法。

参考文献

[1]李阳，崔平平.面向智能制造的机制专业实验室建设探索与实践[J].内燃机与配件，2018（24）：220-221.

[2]赵轶，朱虹，周琴.激光加工综合实训的探索与实践[J].价值工程，2017（5）：208-211.

[3]杜群.开展激光打标工程训练的探索与实践[J].广东工业大学学报（社会科学版），2009（S1）：223-227.

[4]张燕.关于高职院校激光打标实训教学的探索与实践[J].价值工程，2014（17）：254-255.

作者简介

杨海峰（1981—），男，籍贯：江苏徐州，中国矿业大学副教授，主要从事机械工程专业本科、研究生的教学和科研工作。