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工業(yè)制造

激光表面處理與激光打標(biāo)的聯(lián)系

Nick 來(lái)源:華工激光2017-12-23 我要評(píng)論(0 )   

激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一,過去幾十年間,激光打標(biāo)產(chǎn)業(yè)取得了顯著的發(fā)展,這個(gè)市場(chǎng)最重要的變化是推出了低功率脈沖光纖激光器,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到幾乎每...

激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一,過去幾十年間,激光打標(biāo)產(chǎn)業(yè)取得了顯著的發(fā)展,這個(gè)市場(chǎng)最重要的變化是推出了低功率脈沖光纖激光器,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到幾乎每個(gè)供應(yīng)商都能在其產(chǎn)品供給范圍內(nèi)提供這類光纖激光打標(biāo)設(shè)備。

 

這些激光器的波長(zhǎng)通常屬于1070 nm左右的近紅外(NIR)范疇,非常適用于多數(shù)金屬產(chǎn)品的打標(biāo)。鋁、銅及其合金等材料均可采用激光打標(biāo),但想在低熱條件下在這類金屬上打出肉眼清晰可見的深色標(biāo)記,不同金屬打標(biāo)的難易也不盡相同。

 

激光表面處理

在廣泛的工業(yè)激光材料加工領(lǐng)域,激光表面加工這一術(shù)語(yǔ)通常被用于描述一系列采用連續(xù)波(CW)、功率為數(shù)千瓦的近紅外激光源的加工活動(dòng)。然而,以上工藝與本文所描述的可被視作為微米和納米級(jí)表面應(yīng)用的技術(shù)完全不同。采用短脈沖皮秒(10-12)和飛秒(10-15)超快激光器的許多工藝已經(jīng)確定。

這些工藝的主要缺點(diǎn)是:即便屬于這類激光器門類中的低功率系列產(chǎn)品,它們的投資與運(yùn)行成本仍然很高。由于加工速度通常取決于激光器的平均功率,對(duì)于大多數(shù)工業(yè)激光用戶而言,實(shí)際表面覆蓋率條件下的激光加工成本可能太高。

最近,成熟的納秒級(jí)脈沖光纖激光器的脈寬范圍已擴(kuò)展到亞納秒級(jí),隨之而來(lái)的是以數(shù)量級(jí)增加的峰值功率能力。這使開發(fā)出一種采用具成本效益的長(zhǎng)皮秒激光源的新型激光表面加工工藝成為了可能。

 

一系列不同層次激光表面處理工藝

 

雖然這些技術(shù)通常被稱為激光表面處理,從機(jī)械角度來(lái)看,這些工藝與激光打標(biāo)息息相關(guān),因?yàn)樗鼈兙窒抻趯?duì)部件的表面處理,通常需要結(jié)合采用激光消融與熔融工藝。

激光表面毛化處理與激光打標(biāo)分析

通過一定方式改變激光打標(biāo)表面區(qū)域,使之與未打標(biāo)區(qū)域形成視覺上的對(duì)照,激光標(biāo)記具有重要的應(yīng)用。

 

01鋁金屬的激光表面毛化處理

對(duì)于鋁質(zhì)材料來(lái)說(shuō),其自然氧化層具有吸濕性,且厚度會(huì)隨時(shí)間增大。所以,去除這層粗糙的受污染的氧化層,以暴露下層鋁材,可能足以形成充足的對(duì)比度。另一個(gè)比較復(fù)雜的因素是,下層鋁材的熔融或消融程度會(huì)顯著影響標(biāo)記的外觀。

仔細(xì)調(diào)整激光器的參數(shù),可以產(chǎn)生更為光亮的表面,以展現(xiàn)出對(duì)比度提高的熔融效果。通過使用~1mJ的脈沖能量,可以在鋁材上形成色澤較深、氧化程度高的表面,但是,如果想要獲得低的L*值,同時(shí)又能夠獲得堅(jiān)固的、非易碎型的表面,使得標(biāo)記的外觀不會(huì)隨著觀察角度的變化而改變,則需要對(duì)工藝進(jìn)行仔細(xì)的控制。提高消融水平以形成微粗糙表面,也可以獲得顏色更深、吸收性較高、L*值較大的表面(圖3)。所顯示的表面尺寸均<10μm,表面粗糙度(Ra)遠(yuǎn)低于<5μm。

 

用5ns、75μJ的激光器處理的深灰色鋁材表面,放大倍數(shù):200X


從鋁表面去除陽(yáng)極化涂層是一種廣泛使用的技術(shù),相同的規(guī)則也適用于在基板上應(yīng)用激光——熔融性強(qiáng)便意味著能夠產(chǎn)生更具反射效果的表面。不管是裸鋁材還是陽(yáng)極化鋁材,打標(biāo)速度均達(dá)到1-2m/s的高水平。最近,已經(jīng)開發(fā)出在特定陽(yáng)極化涂層上的激光打標(biāo)技術(shù),使用低納秒、亞納秒光纖激光器可以獲得<30的L*值,盡管其打標(biāo)速度比上述方式要低得多。

 

用0.15納秒和1納秒脈沖處理的0.8mm厚的銅質(zhì)材料的表面效果 02銅金屬的激光表面毛化處理

 

對(duì)銅金屬進(jìn)行激光拋光以形成對(duì)比是相對(duì)較為熟知的方法,但是,因?yàn)檫@種金屬與生俱來(lái)具有的高反射率,要獲得深色的標(biāo)記通常會(huì)更具難度。

如圖5所示,通過與拋光前的表面粗糙度對(duì)比,可以看出經(jīng)激光處理表面的粗糙度差異(<1μmRa)。但表面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,表面區(qū)域得到了極大改善,從而形成了高吸收性表面。這從圖4可以看出。

 

用150皮秒脈沖處理的銅金屬

 

最右側(cè)部分是未經(jīng)激光處理的拋光區(qū)域,左側(cè)則是激光處理過的區(qū)域。這些特征與鋁質(zhì)材料上形成的特征相比,要小一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖3)。所獲得的表面結(jié)構(gòu)支持了非線性、等離子控制過程的假設(shè),而不是傳統(tǒng)的熱去除材料的過程。進(jìn)一步的相關(guān)證據(jù)是,同樣的激光參數(shù)可用于處理20μm厚的銅箔,而不會(huì)造成材料變形,盡管使用的是平均功率為28.5 W的亞納秒激光器。

 

03玻璃的激光表面毛化處理或打標(biāo)

出乎意料的是,與用于銅質(zhì)材料幾乎相同的參數(shù),也可應(yīng)用于無(wú)涂層硼硅酸鹽玻璃上下層表面的打標(biāo)。這進(jìn)一步支持了有關(guān)非線性吸收是由于高峰值功率光纖激光器的影響而產(chǎn)生的假說(shuō)。檢查劃片區(qū),可以看到“龜裂”情況非常有限,裂紋<10μm,表面粗糙度<5μmRa。圖6顯示了低倍鏡下的劃線及非開裂狀況。

 

低倍鏡下,處理過的銅金屬上的劃線形態(tài)

 

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激光打標(biāo)激光表面處理激光加工
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