激光表面處理與激光打標(biāo)的關(guān)系

激光技術(shù)是激光加工應(yīng)用領(lǐng)域之一，過(guò)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)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(lèi)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(lèi)金屬上打出肉眼清晰可見(jiàn)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(lèi)激光器門(mén)類(lèi)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(hù)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(kāi)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(chēng)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(guò)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(jué)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(xiàn)性、等離子控制過(guò)程的假設(shè)，而不是傳統(tǒng)的熱去除材料的過(guò)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(xiàn)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(xiàn)及非開(kāi)裂狀況。

低倍鏡下，處理過(guò)的銅金屬上的劃線(xiàn)形態(tài)