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激光表面处理与激光打标的联系

导读: 过去几十年间,激光打标产业取得了显著的发展。现在,全球已经有大量服务于各个行业的激光打标系统供应商。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。

过去几十年间,激光打标产业取得了显著的发展。现在,全球已经有大量服务于各个行业的激光打标系统供应商。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,因为与波长较长的CO2激光器相比,这种波长的反射率更低。

但即便在这一波长范围内,不同金属打标的难易也不尽相同。铝、铜及其合金被广泛用于几乎每个行业,这些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,有时依然会有难度。另外,一种已证实的技术表明,高透射材料通常可在不与意外非线性特性相关的脉冲宽度内以最低损伤完成打标和表面毛化处理等加工。


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,也有许多相关内容的发表。

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。

激光表面处理与激光打标的联系

图1:一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。图1尝试着用行业广为接受的术语以及所涉及的主要物理机制,来对这种范围广泛的工艺进行分类。


光纤激光器众所周知的优势,能确保它们在图1所示的大多数应用中成为占主导地位的选择方案。在这里我们主要介绍的内容是为了提高对微米级激光应用的了解,这类激光用于通常被认为是难以采用标准红外波长进行打标的材料,如铜和玻璃等的表面毛化处理或打标应用。

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。我们不仅列出了一些早期结果,还采用先进的分析手段对金属和玻璃表面的激光毛化处理工艺进行深入的特性描述和刻画。

笔式表面轮廓仪也许是测量相关数据最有名、应用最广泛的技术,因此,选用了该技术对激光处理进行初步评估。表面形态学对更普遍的表面特性与形状进行定性、定量描述,成像技术在这里更为有用。因而,选用了共聚焦激光扫描显微镜的二维和三维图像。

激光表面处理与激光打标的联系

图2:利用高峰值功率、亚纳秒光纤激光器加工裸铝材料的反射效果

先进的分光光度计被广泛应用于量化表面颜色。通过对从可见光谱上的多点表面上的反射光进行分析能够实现这一目标,无论是否包含高光元素,都可形成反映各表面特性的独特反射曲线。这些仪器也被广泛用于测量表面的L*值或表面颜色的深浅。现在,这种技术是量化激光对各种消费品的打标效用时必不可少的工具。这些反射曲线和L*值被用来量化高峰值功率、短脉冲型光纤激光器(图2)在铝、铜和玻璃这三种具有挑战性的材料上的效用。


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。

激光表面处理与激光打标的联系

图3: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。

激光表面处理与激光打标的联系

图4: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。IPG光子公司硅谷技术中心(SVTC)开发出了这类技术,可在铜质材料表面产生L* 值<30的深色表面。

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。

激光表面处理与激光打标的联系

图5:用150皮秒脉冲处理的铜金属

图5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20 μm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。


激光表面处理与激光打标的联系

图6:低倍镜下,处理过的铜金属上的划线形态

这个过程中最有趣的结果如图7所示。其中,玻璃表面的反射率可以通过改变扫描参数进行严密控制。

激光表面处理与激光打标的联系

图7:经扫描速度为1–1.5m/s的150皮秒激光处理的无涂层硼硅酸盐玻璃的效果


讨论及总结


我们探索了如何量化激光打标和表面毛化处理,并使用这些技术对铝材进行激光打标。我们还开发了对更具挑战性的铜材和无涂层玻璃表面进行打标的技术,它清楚表明,未来还将会有适用于范围更广泛的表面结构的工艺应用出现。

铜金属之间或与其它金属之间的激光焊接一直是低功率热传导焊接领域的一项难题,这是因为同时存在固有的高反射率和扩散系数,以及不一致的原生表面氧化层。事实表明,这种深色打标技术在焊接铜时,可以提高一致性。作为正在进行的研究的一部分,通过激光束来改善和规范表面吸收性,这些精细构造也可以提高铜或铝与 其它不同金属之间的结合。

激光表面处理与激光打标的联系


图8:使用IPG脉冲激光器在铜金属上打标

在相关案例中,采用了同样的亚纳秒激光器对金属进行激光预处理,以便其随后可与透射性聚合物粘合在一起。激光清洁表面所具有的优势,例如因激光预处理导致的表面积增加以及局部的激光加热,促使特定金属-聚合物组合的结合可轻松达到基材的强度水平。

激光表面处理与激光打标的联系

图9: IPG150皮秒激光器

最后,使用传统激光扫描技术对光学表面的漫射或光散射能力是有保障的。正在考虑的应用是控制眩光,这反过来又使加工物体更容易为人眼所见。这里所展示的性能显著增强并且具有成本效益的光纤激光器的问世,使客户能够将激光打标从低成本应用转向附加值更高的打标和表面毛化处理应用领域。

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