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纳秒脉冲激光器的金属打标应用

2015-08-27 14:55
水墨黯月
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  简介

  IPG  Photonics不断致力于改进激光器的处理能力。尽管市场上已经出现很多平均功率为500W的调Q激光器,但平均功率为50W的激光器依然很受欢迎。下文将介绍重复频率提升至200 kHz的激光器,对于这些激光器,其重复频率的提升提高了它们对某些特殊应用的处理能力。

  重复频率

  是描述单位时间内激光脉冲数量的重要指标,重复频率越高,单位时间内的工作脉冲数量越多,在高速度、高精细度加工时可获得更高质量的加工效果。

  图1200kHz重复频率加工效果示例

  通用标记

  平均功率为20W、重复频率为20kHz、脉冲能量为1mJ是通用标记应用中常见的参数设置。很多金属标记采用的是高速单向字体的工艺,在重复频率为20kHz、脉冲能量为1mJ、扫描速度为2m/s时产生肉眼可见的标记。这是因为在这样的速度和重复频率下,连续激光光斑几乎可以"摸得到",同时还产生准连续的划线。IPG生产的20W脉冲能量为1mJ、重复频率为50kHz的YLP激光器(如图1)就可以实现这种金属表面快速剥离式的标记。

图2 标准YLP系列激光器

  高重复频率下的应用

  对于金属和非金属的某些应用,要求重复频率>100kHz。平均功率与脉冲能量和重复频率之间的关系是:

  平均功率(W)=脉冲能量(J)×重复频率(Hz)

  当重复频率增加,脉冲能量、峰值功率和峰值功率密度(W/cm2)就减少至金属表面剥离所需的最小值,在重复频率为100kHz、平均功率为20W的情况下脉冲能量仅需0.2mJ。此时用激光器很少会产生金属熔化,因此很少会出现金属烧蚀或者表面剥离。如果重复频率增加到YLP系列可达到的200kHz,脉冲周期将减少至5μs。由于光束和蒸汽之间会发生复杂的相互作用,在金属表面能看到几乎持续出现的光束,而且光束照射部位的金属表面温度在相邻脉冲间不会产生变化。

  这一规律被应用于具有非常精细要求的金属表面处理。当扫描速度为0.1-2m/s时,伴生了激光光斑的高度重叠。这使低能量脉冲能够对金属表面进行非常精细的处理,特别是在高速扫描对样件的热影响能够降低的情况下。结果是,在某种高度可控的方式下金属表面的温度也可能局部上升。尽管这种加热可能会产生许多不同现象,我们将讨论其中两种与商业利益相关的激光标记。

  1.平滑表面粗糙--激光抛光

  此方法中,仅处理掉少量的表面粗糙,降低了组件的表面粗糙程度。在某些实例中,该技术可以得到足够多的视觉对比度以获得满意的标记。在图3中,标记表面粗糙度小于1μm。

 图3 标记表面粗糙度小于1 μm
 

  2.增加表面氧化物--彩色标记或打黑标记

  常见的平均功率为50W的YLP光纤激光器重复频率已达到200kHz,因而它们的加工能力可以拓展到一些特殊的应用。在这里,这里我们重点说说不锈钢氧化物打黑。

  该技术还能够得到足够多的视觉对比度(取决于金属表面的状况)以获得肉眼可见的满意的标记。如果通过选择功率密度、处理速度和激光器功率来仔细地控制工件表面的热输入,工件表面就会均匀受热。特别是对于不锈钢,在高温下极薄的原生氧化层得到了局部加强。随着表面氧化层厚度增加,由于工件表面反射光逐渐消失,首先能够观察到标记颜色的变化。当厚度增加超过200-300nm时,肉眼观察到的标记变成了黑色,如图4所示。

  图4  50mm×90mm304不锈钢,200kHz下形成的光滑耐腐蚀标记

  与大多数激光打标技术相比,医疗器械的标识需要一种不同于以往的打标技术。这种暗氧化物打标被称为"黑色打标"(如图5)。"黑色打标"也就是"金属打标",在这里我们所说的金属通常是指不锈钢。"黑色打标"的特点是形成一种黑色的氧化涂层,不会过多地熔化或破坏器械表面,在打标表面的光洁度方面具有显著的优势。由于并没有清除材料本身,所以打标过程完全不会破坏例如不锈钢材料本身所具备的重要功能性或者是抗腐蚀性。

图5  医疗器械不锈钢氧化物打黑

  对于这类打标有三个基本要求:

  "需要一个光滑表面以防止残余碎片的污染

  "标记必须呈黑色使肉眼可见

  "标记在设备工作过程中不能被腐蚀掉

  如今,YLP系列的调Q光纤激光器能够提供这样高的重复频率,其脉冲间隔时间、脉冲周期可减少至5μs。但是由于激光光束与材料蒸气间复杂的相互作用,因此在材料表面可获得几乎连续的光束。通过选择功率密度、加工速度和激光功率来精确地控制激光热输入量,即可生成肉眼可见且相对较厚的暗氧化层。

  在激光打标过程中,通过光栅扫描建立文字数字字符或者图表。正确调整光栅线填充间距,通过激光加热法在打标区域内获得平坦且光滑的氧化层。

  YLP激光器配备焦距为163mm的光学系统,将会在工件上获得大小为50μm聚焦光斑,从而获得理想的焦深,因此,无论目标物与透镜间的距离如何变化,都可以实现打标加工。在此过程中,由于传导效应,激光在不锈钢表面加热而产生的实际氧化区域比聚焦光斑的尺寸大。

  结果

  合作项目显示,304不锈钢符合氧化物打标的所有要求。这项技术发展的关键在于室内加速腐蚀实验。这一实验是基于ASTMF1089标准,使腐蚀结果在几分钟内迅速得到反馈。而样品的最终验收实验是在高浓度盐溶液中浸泡长达一个小时,同时逐渐升高温度。其实验结果与其他在医疗设施产业上采用的腐蚀试验结果相吻合,例如多重高压循环实验。另外,许多不锈钢医疗设备在打标后需经过钝化处理,在此过程中标记不能被去除或者变模糊。

  利用可见光显微镜技术,可以观察到当热输入量增加时,氧化层是如何从不锈钢晶界中形成的。值得注意的是,在激光加工过程中的热输入量过量时,氧化物也会出现过度生长。过量的热量输入会形成更加粗糙的表面,并且易被严重腐蚀。

  与传统的闪光灯泵激光器相比,采用加工速度为50-75mm/s的光纤激光器来完成这一加工任务时的速度提高了很多。值得注意的是,最优激光参数会受到不同材料组成以及不同表面光洁度的影响。所以,每一个标记仍需要分情况处理,同时牢记此方案中的通用原则。

  总结

  IPG应用中心制定出了在不锈钢上标识出抗裂纹腐蚀暗标记指南。IPG凭借领先的打标技术水平,致力于帮助客户解决现有技术问题、为客户提供合适的打标应用解决方案。

 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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