20伯年第11期__________________________________________________________________Mcintenanceand Reform维修与改遗激光打标的失效分析及改进措施 董旭辉李选新谭曼华
(博世汽车部件(长沙)有限公司，湖南长沙410100)
摘要：激光打标过程中，工件上的油脂易蒸发后冷凝在滤镜上，进而造成激光打标失效，影响生产效率。通过对激光打标系统的冷凝形成机理进行分析，针对故障问题进行深入理论探讨，出故障原因并提 出有效的解决方法，希望对激光打标机的高效运用提供借鉴作用。
关键词：激光打标；冷凝；失效分析；改进措施
中图分类号:TP23文献标识码:A
DOI：10.ki.1005-2402.2019.11.030
Failure analysis and improvement measures of laser marking
DONG Xuhui,LI Xuanxin,TAN Manhua
(Bosch Automotive Products(Changsha)Co.,Ltd.,Changsha410100,CHN)
Abstract:During the laser marking process,the grease on the workpiece is easily evaporated and condensed on the filter,which causes laser marking failure and affects production efficiency.This paper introduces the for
mation mechanism of evaporative condensation in laser marking system,conducts in-depth theoretical a-
nalysis on fault problems,finds out the cause of the fault and proposes an effective solution.It is hoped to
provide reference for the efficient use of laser marking machine.
Keywords:laser marking；condensation；marking failure；improvement measures
激光打标技术是一种由高能量激光束将工业二维码标记在零部件上，对零部件及其生产过程进行标定的方法，可实现生产过程的无缝追溯，适应自动化高效率生产。同时，激光打标为非接触加工，可实
现任何异型工件的标刻，工件内部不会产生变形及内应力，保证了工件原本精度，适合于各种材质工件的标记。目前，激光打标技术已成为一种精密加工方法，广泛应用于各行各业⑴。但由于激光打标过程中，工件上带有的油脂形成的油脂蒸气易冷凝在防护罩的激光过滤镜上，阻碍激光穿透从而造成激光打标失效，影响生产效率并造成经济损失。因此，如何对激光打标系统进行改进从而实现激光打标的高效稳定作业至关重要。 1当前激光打标系统描述及冷凝形成机理
1.1激光打标系统描述
博世汽车部件(长沙)有限公司装配工作站的一台基恩士MD-X1500C型激光打标机，其激光打标工作台和打标示意图如图1所示。激光打标系统主要由激光驱动器、前/后防护罩、滤镜、抽风管和工件组成。在激光打标过程中，由激光驱动器发射激光，穿透滤镜后使工件待打标区域的表层材质瞬间气化，从而在工件上留下特定二维码标记。其中，滤镜用于防止污染物污染激光驱动器，防护罩可有效防止激光泄露对人体造成伤害。
怎么做一支解压笔(a)激光打标工作自(b)激光打标示意图
图1激光打标机
1.2冷凝机理
激光打标过程中，工件表面带有的油脂被高温气化形成油脂蒸气，并在后防护罩内扩散。罩内空气中能容纳的油脂蒸气含量具有一定的容纳极限即油脂蒸气的饱和蒸气压，其随着温度的降低而减小⑵。当高温下油脂蒸气呈饱和状态后，在温度降低时，由于饱和蒸气压减小，多余的油脂蒸气将冷凝在滤镜和防护罩内壁上。随着打标工作的进行，新的油脂蒸气将出现冷凝，并持续覆盖在滤镜和防护罩内壁上。
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维修与改遗Mdnlenanceand Reform________________________________________________________________2019年第「期
2故障描述及原因分析
2.1故障描述
基恩士MD-X1500C型激光打标机对工件（材质为45#钢，工件表面涂有防锈油脂）经过约1h的持续工作后，滤镜被油脂污染，导致打标失效。为减少滤镜污染造成的打标失效，在后防护罩侧面配置有一根抽风管，且抽风管与抽风机相连，但未能解决问题，仍需操作工频繁擦拭滤镜，生产效率降低约5%。
2.2原因分析
滤镜上的油脂主要由工件上的油脂蒸发后冷凝所致，激光高温是造成工件表面油脂蒸发的根本原因。打标过程中，由于激光的功率远大于油脂气化所需热量，工件二维码标定范围内的油脂被完全气化。因此，单个工件产生的油脂蒸气量Q：可表达为⑶:
Qi=pabh i
式中:p为单位体积油脂量；a为二维码宽度；6为二维码长度；仏为第i工件的油脂厚度。
根据质量守恒定律推算，"个工件打标后冷凝在滤镜上的油脂蒸气量Q。为：
n S。n S°<2o=Qi x g°g=x g°g
i=i十6i=i6十
式中:“为油脂蒸气的冷凝率；S。为滤镜表面积；Si为后防护罩内壁面积。从上述公式可知，在打标面积、滤镜和后防护罩面积等参数一定的情况下，覆盖在滤镜上的油脂量主要与工件油膜厚度和冷凝率相关。考虑到来料工件的油膜厚度一定，油脂量主要由冷凝率决定。
在抽风机作用下，后防护罩内气体压力保持一定，油脂蒸气的冷凝率“可表示为⑷：
P*
P厂
air
式中：P；为罩内油脂蒸气压力；P，为罩内总空气压；P*为油脂的饱和蒸气压；p air为罩内干空气压。
由此可知，后防护罩内油脂的蒸气压力越高，油脂蒸气的冷凝转化率越大，冷凝在滤镜上的油脂量越多。另外，后防护罩内气体压力为负压，可有效降低油脂等液体沸点，导致油脂蒸气的大量形成，进而提高滤镜上的油脂量。
因此，后防护罩内的油脂蒸气压力过高以及负压的形成是造成大量的油脂蒸气冷凝在滤镜上的主要原因。
3故障改善措施及改善效果
根据上述原因分析可知，如何降低后防护罩内油脂蒸气压对延长滤镜使用时间至关重要。可以从以下两个方面进行改进：（1）增加空气流入量，降低罩内油脂蒸气压；（2）增加进风口，通过进风口与抽风口的空气对流为封闭的后防护罩引入干净的干空气，从而降低油脂含量。
3.1空气流入量对后防护罩内油脂蒸气压的影响
根据道尔顿分压定律可知，罩内油脂的蒸气压只与油脂蒸气的含量和后防护罩的体积相关。因此，假定在t时间段内产生的油脂蒸气量为Q oa，在没有进风口时，后防护罩内的气体无法流出，根据克拉伯龙方程可得罩内油脂蒸气压力P o为⑸:
…Q oa RT
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式中：卩。为后防护罩容积;R为比例常数;T为罩内气体温度。
在有进风口时，油脂蒸气会渗透在后防护罩原有的空气及持续流入的空气中，罩内油脂的蒸气压匕为：
p一ON
1%+%”
式中：％”为流入气体体积。
从上述两个公式可以得出，增加罩内空气流入量或增加后防护罩的容积可有效降低罩内油脂蒸气压力。
根据流体连续性方程同，罩内空气流入量Q为：
Q=qt
式中：g为体积流量汀为时间。
9547900
根据抽风机功率方程⑺，抽风机功率17为：
1000X3600X7/
式中：g为体积流量；P为空气压力卯为抽风机效率。
可得，罩内空气流入量Q为：
小W x1000x3600x77
Q=qt=------------------------------x t
212资源P
因此，提高抽风机功率甲可有效增加后防护罩内空气流入量，进而降低罩内油脂蒸气压力。
3.2空气对流对后防护罩内油脂蒸气压的影响
图2为进风口与抽风口三种不同的位置设计所产生的不同空气对流示意图。
进风口与抽风口形成的空气对流对油脂蒸气扩散的影响可通过佩克莱数巴来研究。佩克莱数匕的物质传输公式为剧:
式中:L为特征长度；u为局部流速；D为质量扩散系数。在系统参数一定的前提下，佩克莱数匕的大小主要由局部流速“决定。当巴较大，即空气流速“较大
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2019年第行期Maintenance and Reform维修与改造
时，油脂蒸气的扩散相对于空气速度而言是缓慢的，对流占优。此时三种对流方式均可有效阻滞油脂蒸气扩散。当P e较小，即空气流速u较小时，对流效应相对较弱，扩散占主导地位。此时图2a的空气流动方向与油脂蒸气扩散方向相反，能够阻滞油脂蒸气扩散；图2b的空气流动方向与油脂蒸气扩散方向垂直，与油脂蒸气扩散不相干；图2c的空气流动方向会促进油脂蒸气扩散。
(a)进风口靠近滤镜，抽风口靠近工艺
讲风，口
(b)进风口和抽风口共线
(0)进风口靠近工艺，抽风口靠近滤镜
图2进风口与抽风口三种位置设计
智能停车场系统管理所产生的空气对流示意图
工件
因此，在进风管和抽风管截面积一定的前提下，提高对流速度能够有效阻滞油脂蒸气扩散，图2a所示结构可以在抽风机功率不稳定时阻滞油脂蒸气扩散，在激光打标系统优化设计时优选采用图2a结构。
3.3改善措施及效果
综合以上理论分析，针对油脂蒸气冷凝在滤镜上影响激光透光性的问题，对现有激光打标系统进行优化改进，设计了一种新型的激光打标系统。改善措施如下：
(1)在后防护罩上，除抽风口外，增加进风口，提高空气流入量。
(2)增大抽风电动机功率，将功率从1.2kW提高到2.2kW，进一步提高空气流入量。
(3)增大后防护罩容积，从423cn?增加到1500 cm3，减小罩内油脂蒸气压。
(4)设置进风口靠近滤镜并将抽风口的位置调整在打标位置附近，形成与油脂蒸气扩散方向相反的空气对流。
改进后的激光打标工作台和打标示意图详见图3所示。改进后，防护罩内的干空气进入量增加，油脂蒸气含量减少，长时间连续作业后滤镜上无肉眼可见的油脂层。激光打标机连续不间断的工作时间由1h延长到500h以上，大大提高自动化工作效率。
(a)改进后的激光打标工作台(b)改进后的打标示意图
图3改进后的打标机
4结语
针对基恩士MD-X1500C型激光打标机的滤镜易被工件表面的油脂冷凝污染的问题，本文从激光打标系统的冷凝机理出发，通过对故障原因进行深入的理论分析后，提出激光打标装置技术改造方案，解决了激光打标滤镜易污染及持续打标工作时间短的问题，从而实现激光打标的长时间无障碍加工。
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第一作者：董旭辉，男,1982年生，硕士，工程师，研究方向为机械制造及其自动化，已发表论文5篇。
(编辑孙德茂)
(收稿日期：2019-05-18)
文章编号：191134
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