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激光表面处理与激光打标的联系

作者:admin 发布日期:2019-3-13 关注次数: 二维码分享

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一,过去几十年间,激光打标产业取得了显著的发展,这个市场最重要的变化是推出了低功率脉冲光纤激光器,现在已经发展到几乎每个供应商都能在其产品供给范围内提供这类光纤激光打标设备。


这些激光器的波长通常属于1070 nm左右的近红外(NIR)范畴,非常适用于多数金属产品的打标。铝、铜及其合金等材料均可采用激光打标,但想在低热条件下在这类金属上打出肉眼清晰可见的深色标记,不同金属打标的难易也不尽相同。


激光表面处理


在广泛的工业激光材料加工领域,激光表面加工这一术语通常被用于描述一系列采用连续波(CW)、功率为数千瓦的近红外激光源的加工活动。然而,以上工艺与本文所描述的可被视作为微米和纳米级表面应用的技术完全不同。采用短脉冲皮秒(10-12)和飞秒(10-15)超快激光器的许多工艺已经确定。这些工艺的主要缺点是:即便属于这类激光器门类中的低功率系列产品,它们的投资与运行成本仍然很高。由于加工速度通常取决于激光器的平均功率,对于大多数工业激光用户而言,实际表面覆盖率条件下的激光加工成本可能太高。


最近,成熟的纳秒级脉冲光纤激光器的脉宽范围已扩展到亚纳秒级,随之而来的是以数量级增加的峰值功率能力。这使开发出一种采用具成本效益的长皮秒激光源的新型激光表面加工工艺成为了可能。


一系列不同层次激光表面处理工艺


虽然这些技术通常被称为激光表面处理,从机械角度来看,这些工艺与激光打标息息相关,因为它们局限于对部件的表面处理,通常需要结合采用激光消融与熔融工艺。


激光表面毛化处理与激光打标分析


通过一定方式改变激光打标表面区域,使之与未打标区域形成视觉上的对照,激光标记具有重要的应用。


01铝金属的激光表面毛化处理


对于铝质材料来说,其自然氧化层具有吸湿性,且厚度会随时间增大。所以,去除这层粗糙的受污染的氧化层,以暴露下层铝材,可能足以形成充足的对比度。另一个比较复杂的因素是,下层铝材的熔融或消融程度会显著影响标记的外观。


仔细调整激光器的参数,可以产生更为光亮的表面,以展现出对比度提高的熔融效果。通过使用~1mJ的脉冲能量,可以在铝材上形成色泽较深、氧化程度高的表面,但是,如果想要获得低的L*值,同时又能够获得坚固的、非易碎型的表面,使得标记的外观不会随着观察角度的变化而改变,则需要对工艺进行仔细的控制。提高消融水平以形成微粗糙表面,也可以获得颜色更深、吸收性较高、L*值较大的表面(图3)。所显示的表面尺寸均<10μm,表面粗糙度(Ra)远低于<5μm。


用5ns、75μJ的激光器处理的深灰色铝材表面,放大倍数:200X

从铝表面去除阳极化涂层是一种广泛使用的技术,相同的规则也适用于在基板上应用激光——熔融性强便意味着能够产生更具反射效果的表面。不管是裸铝材还是阳极化铝材,打标速度均达到1-2m/s的高水平。最近,已经开发出在特定阳极化涂层上的激光打标技术,使用低纳秒、亚纳秒光纤激光器可以获得<30的L*值,尽管其打标速度比上述方式要低得多。


用0.15纳秒和1纳秒脉冲处理的0.8mm厚的铜质材料的表面效果

02铜金属的激光表面毛化处理

对铜金属进行激光抛光以形成对比是相对较为熟知的方法,但是,因为这种金属与生俱来具有的高反射率,要获得深色的标记通常会更具难度。如图5所示,通过与抛光前的表面粗糙度对比,可以看出经激光处理表面的粗糙度差异(<1μmRa)。但表面结构更为复杂,表面区域得到了极大改善,从而形成了高吸收性表面。这从图4可以看出。


用150皮秒脉冲处理的铜金属

最右侧部分是未经激光处理的抛光区域,左侧则是激光处理过的区域。这些特征与铝质材料上形成的特征相比,要小一个数量级(图3)。所获得的表面结构支持了非线性、等离子控制过程的假设,而不是传统的热去除材料的过程。进一步的相关证据是,同样的激光参数可用于处理20μm厚的铜箔,而不会造成材料变形,尽管使用的是平均功率为28.5 W的亚纳秒激光器。


03玻璃的激光表面毛化处理或打标

出乎意料的是,与用于铜质材料几乎相同的参数,也可应用于无涂层硼硅酸盐玻璃上下层表面的打标。这进一步支持了有关非线性吸收是由于高峰值功率光纤激光器的影响而产生的假说。检查划片区,可以看到“龟裂”情况非常有限,裂纹<10μm,表面粗糙度<5μmRa。图6显示了低倍镜下的划线及非开裂状况。

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