摘要：
激光雕刻用途廣泛，常用于各種材料打標(biāo)，比如汽車零部件、機(jī)電工具制造、珠寶鐘表等。激光加工可以實(shí)現(xiàn)精雕細(xì)刻，靈活性極高，并且全程無接觸。短脈沖激光器，如本研究中使用的皮秒激光器，能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行雕刻，且熱影響較小，非常適合加工溫度敏感的電子元器件。本文探討了對(duì)珠寶和鐘表產(chǎn)品所用鋼材料進(jìn)行深雕時(shí)，激光能量密度對(duì)雕刻質(zhì)量的影響，其中重點(diǎn)關(guān)注去除率和表面質(zhì)量。測(cè)試中使用了平均功率為 40W 的皮秒激光器，并采用不同的激光重復(fù)頻率、功率和脈沖串?dāng)?shù)。研究結(jié)果深刻揭示了不同能量密度水平下激光雕刻工藝的效率變化。
激光雕刻簡(jiǎn)介：
激光雕刻具有精度高、靈活性強(qiáng)和非接觸性的特點(diǎn)，在珠寶鐘表行業(yè)中廣泛運(yùn)用于各種材料的打標(biāo)和裝飾。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械雕刻技術(shù)，激光雕刻具有諸多優(yōu)勢(shì)，它可以更好地控制雕刻的深度和寬度、雕刻區(qū)域的顏色外觀、能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，并且?guī)缀醪粫?huì)磨損雕刻工具。此外，還可以對(duì)激光加工過程進(jìn)行優(yōu)化，不會(huì)產(chǎn)生碎片或碎屑，加工環(huán)境更加清潔，且不易損壞金屬、寶石或陶瓷等貴重材料。
雖然該領(lǐng)域中各種應(yīng)用的具體要求差異很大，常見的一種是要求在金屬材料上雕刻一個(gè)面積為 1-10mm2、深度約 50μm 甚至達(dá) 1mm（深雕）的清晰 logo（見圖 1）。同時(shí)，這類 logo 的特征細(xì)節(jié)通常需要控制在 50μm 范圍內(nèi)，并與基材形成鮮明對(duì)比。這種高對(duì)比度要求可以通過雕刻表面 1-5μm 范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)可以選擇性反射光線，從而使材料呈現(xiàn)出特定的顏色。一般情況下這種加工不希望再有后期處理，因此需要高質(zhì)量、無毛刺的打標(biāo)操作。正如所有工業(yè)應(yīng)用一樣，加工時(shí)間和加工質(zhì)量的重要性不言而喻。這種深雕應(yīng)用要求必須達(dá)到每分鐘幾立方毫米的去除率，同時(shí)創(chuàng)建小于 50μm 的圓角半徑，最終表面粗糙度僅為幾微米，且具有線條清晰的結(jié)構(gòu)。為了能達(dá)到這些要求的最佳標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)脈沖的激光能量密度（也稱為通量）是個(gè)重要參數(shù)，它會(huì)影響雕刻質(zhì)量、去除率和表面粗糙度。因此，優(yōu)化能量密度對(duì)于實(shí)現(xiàn)去除率和質(zhì)量均達(dá)標(biāo)的雕刻結(jié)果至關(guān)重要。本文研究的核心就是使用平均功率為 40W 的皮秒激光器在鋼材料上進(jìn)行深雕時(shí)，激光能量密度對(duì)雕刻質(zhì)量的影響。配置和測(cè)試設(shè)備
本研究使用的激光設(shè)備是皮秒激光器（λ = 1064nm，Pmax = 40W @ 1MHz，脈沖寬度 = 8ps）以及 Novanta Squirrel，這是一款配備焦距為 80mm 遠(yuǎn)心 F-Theta 鏡頭、 11mm 通光孔徑的模擬式 2D 掃描振鏡。使用 Primes MicroSpotMonitor 分析產(chǎn)生的光束焦散，測(cè)得焦點(diǎn)直徑約為 50μm，整個(gè)配置的光束質(zhì)量為 M2 = 1.18（見圖 2）。為了分析創(chuàng)建的測(cè)試樣本，我們使用 KEYENCE VK-X210 激光掃描顯微鏡和 KEYENCE VW-9000 高速顯微鏡來識(shí)別表面粗糙度 (Ra) 和雕刻深度。
為了使參數(shù)范圍易于管控，我們改變了以下激光參數(shù)：激光重復(fù)頻率（1000kHz 和 200kHz）、激光功率（100% 和 50%）和脈沖串?dāng)?shù)（1、2、5、10）。在脈沖重復(fù)頻率為 1000kHz 時(shí)，傳輸?shù)拿}沖能量為 40μJ，最大能量密度為 3J/cm2。使用 50% 的功率時(shí)，能量密度就會(huì)降低到 1.6J/cm2。將激光重復(fù)頻率改為 200kHz 時(shí)，激光輸出的脈沖能量大約提高四倍 (170μJ)。因此，在 200kHz 時(shí)，100% 功率下產(chǎn)生的最大能量密度為 12J/cm2。除了 100% 和 50% 的能量密度外，還可以通過改變脈沖串?dāng)?shù)（1、2、5 和 10 個(gè)脈沖）生成其他能量密度級(jí)別（見圖 3）。這種方式下，脈沖能量被分配到多個(gè)脈沖串，從而導(dǎo)致能量密度值降低。在一個(gè)脈沖串內(nèi)總脈沖能量保持不變。脈沖串的發(fā)射頻率為種子頻率，即 30MHz。
選擇邊長(zhǎng)為 3mm x 3mm 的簡(jiǎn)單正方形作為測(cè)試圖案，并由定義好的間距線條填充。在初始測(cè)試中，通行次數(shù)限制為 10 次，之后將該次數(shù)外推至 100μm 的深度。為了便于比較，打標(biāo)速度固定為 1m/s。在第一組測(cè)試中，采用規(guī)定的陰影圖案和所有上文所述激光參數(shù)組合執(zhí)行 10 次雕刻后，檢查實(shí)現(xiàn)的去除率和表面粗糙度。這一步至關(guān)重要，如果表面粗糙度過高，則無法在最終的表面結(jié)構(gòu)定型步驟得到想要的結(jié)果。去除率定義為單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積，單位為 mm3/min。該標(biāo)準(zhǔn)可以對(duì)測(cè)試系列的所有不同激光參數(shù)做比較，并提供有關(guān)加工效率和加工速度的信息。圖 4 顯示了不同激光設(shè)置的去除率與產(chǎn)生的能量密度之間的關(guān)系。在 1000kHz 條件下，對(duì) 100% 的平均功率與 50% 的平均功率（藍(lán)色）進(jìn)行比較，去除率在 1.4mm3/min 至 3.5mm3/min 之間。在重復(fù)頻率 200kHz 下，值范圍介于 0.8mm3/min 到 3.7mm3/min。在 1000kHz 和 50% 激光功率下，去除率在較低的能量密度下首先升高，達(dá)到最大值，然后降低。在 200kHz 時(shí)可以得到相同的結(jié)果，但在生成的數(shù)據(jù)中不可見?？傮w而言，有證據(jù)表明，1J/cm2 或更高的能量密度會(huì)導(dǎo)致去除率下降，其物理原理在本文中暫不做介紹。第二個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是表面粗糙度 Ra（平均粗糙度），它可以提供加工表面質(zhì)量的深層次信息。在這項(xiàng)研究中，獲得非常光滑的材料表面至關(guān)重要，因?yàn)槟繕?biāo)市場(chǎng)普遍要求達(dá)到 ≤ 2μm的標(biāo)準(zhǔn)。
圖 5 顯示了表面粗糙度與能量密度的關(guān)系。測(cè)量的表面粗糙度在 1.5μm 至 5μm 之間，在高數(shù)量脈沖串和 1000kHz 和 100% 激光功率的極端組合條件下，粗糙度可高達(dá) 30μm。我們認(rèn)為這是由于高脈沖重疊和材料強(qiáng)烈熔化所致，熔融的材料在固化時(shí)形成隨機(jī)的峰谷結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致表面粗糙度增加。提高掃描速度可以起到緩解作用，因研究范圍問題本文暫不討論?？傮w而言，圖表顯示表面粗糙度受激光器和掃描振鏡參數(shù)的影響極大，只有找到最佳參數(shù)組合才能實(shí)現(xiàn)所需光滑度。
圖 6 顯示了表面粗糙度的最差結(jié)果和最佳結(jié)果。左圖表示在 1000kHz 下達(dá)到的 30μm 粗糙度，導(dǎo)致隨機(jī)的峰谷結(jié)構(gòu)以及邊緣的高度毛刺。另一個(gè)示例顯示的是一個(gè)光滑的表面，粗糙度為 1.5μm。加工表面邊緣過度光滑，無毛刺。對(duì)于運(yùn)行次數(shù)需要超過 10 次的深雕，最終的表面粗糙度會(huì)進(jìn)一步受到影響。雖然 100% 和 1000kHz 條件下的去除率非常好，但產(chǎn)生的表面粗糙度令人無法接受，無法達(dá)到所需的表面光滑度。因此，200kHz 下的參數(shù)提供了最佳的消融率和質(zhì)量組合，可進(jìn)一步用于更多運(yùn)行次數(shù)和更高雕刻深度的測(cè)試。初步測(cè)試后，實(shí)現(xiàn) 100μm 深雕所需的重復(fù)次數(shù)在每個(gè)能量密度設(shè)置下線性外推，并且運(yùn)行次數(shù)在 20 到 120 次之間。圖 7 中，顯示了 200kHz、100% 和 50% 設(shè)置下去除率（藍(lán)色）和表面粗糙度（綠色）與能量密度的關(guān)系。與之前的測(cè)試類似，通過施加 10 個(gè)脈沖串可實(shí)現(xiàn)最低能量密度，而通過單個(gè)脈沖可實(shí)現(xiàn)較高能量密度。粗糙度和去除率這兩項(xiàng)指標(biāo)在較低能量密度下均呈現(xiàn)更好的結(jié)果，但本測(cè)試系列中的最低能量密度除外。當(dāng)能量密度為 12J/cm2 時(shí)，去除率達(dá)到最大值，但相應(yīng)的粗糙度為 5μm，相對(duì)較高，通常不太接受。對(duì)于珠寶和鐘表行業(yè)，客戶通常希望產(chǎn)品具有特定的外觀，如黑色、白色、不透明或有光澤。如果此時(shí)表面粗糙度不是太高 (Ra < ~5 μm)，那么所有這些都可以在達(dá)到要求的深度后通過額外的精加工步驟實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整激光功率和脈沖重疊，可以控制表面微結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生特定的外觀。由于這需要比以前更精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)，因此以下配色方案使用 0.6J/cm2 的能量密度。前述雕刻步驟可產(chǎn)生粗糙度為 0.5μm 的光滑表面。表面精加工后，粗糙度范圍為 1.7μm 至 2.0μm，具體取決于所要求的外觀效果。在本研究中，我們探討了不銹鋼材料的激光消融工藝，以實(shí)現(xiàn)珠寶鐘表加工中高質(zhì)量的表面結(jié)構(gòu)。我們分析了激光器和掃描振鏡參數(shù)對(duì)加工表面去除率和表面粗糙度的影響。研究結(jié)果表明，能量密度是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)在能量密度曲線上的具體最佳值取決于不同的激光器、掃描振鏡和材料組合。進(jìn)一步的研究表明，該過程受限于質(zhì)量，而非平均激光功率。因此，除非掃描系統(tǒng)能夠在保持相同精度的前提下實(shí)現(xiàn)更高的速度，否則通常無法通過更高的平均功率激光器來實(shí)現(xiàn)工藝改進(jìn)。然而，我們所做的測(cè)試充分表明，對(duì)于特定應(yīng)用需求，針對(duì)單個(gè)激光器、掃描振鏡和材料組合進(jìn)行優(yōu)化是非常有必要的。在本文中，0.6J/cm2 的能量密度，200kHz 的頻率，約 18W 的平均功率和 10 個(gè)脈沖串是滿足所需質(zhì)量的理想?yún)?shù)組合。總之，希望我們的研究為實(shí)現(xiàn)不銹鋼材料高質(zhì)量表面結(jié)構(gòu)定型的激光消融工藝提供了一些有價(jià)值的信息。我們的研究結(jié)果可用于優(yōu)化特定應(yīng)用要求的激光參數(shù)，并進(jìn)一步開發(fā)針對(duì)其他材料和應(yīng)用的激光消融工藝。
Novanta 優(yōu)勢(shì)
Novanta 在市場(chǎng)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以為尋求通過高精度激光系統(tǒng)改進(jìn)其制造過程的 OEM、系統(tǒng)集成商和最終用戶提供應(yīng)對(duì)最復(fù)雜挑戰(zhàn)的解決方案。Novanta 擁有一系列業(yè)內(nèi)知名的品牌以及國(guó)內(nèi)應(yīng)用和服務(wù)支持，能夠提供可靠、精準(zhǔn)且耐用的組件和子系統(tǒng)。
我們的應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室可為 OEM、系統(tǒng)集成商、材料制造商、加工商以及自動(dòng)化機(jī)械的最終用戶提供應(yīng)用和概念驗(yàn)證測(cè)試。Novanta 的應(yīng)用工程師均為激光加工領(lǐng)域的專家，對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)成功、高效激光加工的各種參數(shù)都非常了解。使用 Novanta 旗下知名品牌的激光器和光束掃描設(shè)備，我們的應(yīng)用工程師可以協(xié)助客戶確定關(guān)鍵的產(chǎn)品參數(shù)和加工專有技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。
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