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激光表面加工與激光打標(biāo)的關(guān)聯(lián)
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。現(xiàn)在，全球已經(jīng)有大量服務(wù)于各個(gè)行業(yè)的激光打標(biāo)系統(tǒng)供應(yīng)商。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1070nm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)，因?yàn)榕c波長(zhǎng)較長(zhǎng)的CO2激光器相比，這種波長(zhǎng)的反射率更低。
但即便在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同金屬打標(biāo)的難易也不盡相同。鋁、銅及其合金被廣泛用于幾乎每個(gè)行業(yè)，這些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(jiàn)的深色標(biāo)記，有時(shí)依然會(huì)有難度。另外，一種已證實(shí)的技術(shù)表明，高透射材料通常可在不與意外非線性特性相關(guān)的脈沖寬度內(nèi)以最低損傷完成打標(biāo)和微造型等加工。
激光表面加工
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。已經(jīng)采用短脈沖皮秒（10-12）和飛秒（10-15）超快激光器開(kāi)發(fā)了許多這類工藝，針對(duì)非熱機(jī)制如何對(duì)表面進(jìn)行改性加工，也已發(fā)表過(guò)許多文章。
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。因此，這有可能開(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。
圖1：根據(jù)業(yè)內(nèi)廣為接受的術(shù)語(yǔ)以及所涉及的主要物理機(jī)制，提出的一系列不同層次的激光表面處理工藝。
雖然這些技術(shù)通常被稱為激光微造型，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。圖1嘗試著用行業(yè)廣為接受的術(shù)語(yǔ)以及所涉及的主要物理機(jī)制，來(lái)對(duì)這種范圍廣泛的工藝進(jìn)行分類。
近紅外光纖激光器
光纖激光器為人廣泛所知的優(yōu)勢(shì)，確保它們?cè)趫D1所示的大多數(shù)應(yīng)用中成為占主導(dǎo)地位的近紅外激光光源選擇方案。當(dāng)然，脈沖光纖激光源憑借高平均功率（高達(dá)4kW），開(kāi)啟了激光清潔和激光脫漆的應(yīng)用。此處所用的新型光纖激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間范圍為0.15～5ns、峰值功率可達(dá)0.5mW，每平方米的亮度＜2，在平均功率最高達(dá)30W的條件下，脈沖重復(fù)率超過(guò)1MHz。本文旨在增進(jìn)對(duì)微米級(jí)激光功能的了解，這類激光用于通常被認(rèn)為是難以采用標(biāo)準(zhǔn)紅外波長(zhǎng)進(jìn)行打標(biāo)的材料，如銅和玻璃等材料的表面微造型或打標(biāo)。
激光微造型與激光打標(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，這使激光標(biāo)記變得有用。在此不僅列出了一些早期結(jié)果，還采用先進(jìn)的分析手段對(duì)金屬和玻璃表面的激光微造型工藝進(jìn)行深入的特性描述和刻畫(huà)。
筆式表面輪廓儀也許是量化表面形貌最有名、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，因此，選用了該技術(shù)對(duì)激光處理進(jìn)行初步評(píng)估。表面形態(tài)學(xué)對(duì)更普遍的表面特性與形狀進(jìn)行定性、定量描述，成像技術(shù)在這里更為有用。因而，選用了共聚焦激光掃描顯微鏡的二維和三維圖像。
圖2： 利用高峰值功率、亞納秒光纖激光器加工裸鋁材料的反射效果。
先進(jìn)的分光光度計(jì)被廣泛應(yīng)用于量化表面顏色。通過(guò)對(duì)從可見(jiàn)光譜上的多點(diǎn)表面上的反射光進(jìn)行分析能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，無(wú)論是否包含高光元素，都可形成反映各表面特性的獨(dú)特反射曲線。這些儀器也被廣泛用于測(cè)量表面的L*值或表面顏色的深淺。現(xiàn)在，這種技術(shù)是量化激光對(duì)各種消費(fèi)品的打標(biāo)效用時(shí)必不可少的工具。這些反射曲線和L*值被用來(lái)量化高峰值功率、短脈沖型光纖激光器（圖2）在鋁、銅和玻璃這三種具有挑戰(zhàn)性的材料上的效用。
鋁材的激光表面處理或微造型
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。
圖3：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。
圖4：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。
銅質(zhì)材料的激光微造型或打標(biāo)
對(duì)銅質(zhì)材料進(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。IPG光子公司硅谷技術(shù)中心（SVTC）開(kāi)發(fā)出了這類技術(shù)，可在銅質(zhì)材料表面產(chǎn)生L* 值<30的深色表面。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。
圖5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28.5W的亞納秒激光器。
圖5：用150皮秒脈沖處理的銅質(zhì)材料。
玻璃的激光微造型或打標(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(kāi)裂狀況。
圖6：低倍鏡下，處理過(guò)的銅質(zhì)材料上的劃線以及非開(kāi)裂狀況。
這個(gè)過(guò)程中最有趣的結(jié)果如圖7所示。其中，玻璃表面的反射率可以通過(guò)改變掃描參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密控制。
圖7：經(jīng)掃描速度為1–1.5m/s的150皮秒激光處理的無(wú)涂層硼硅酸鹽玻璃的效果。
我們探索了如何量化激光打標(biāo)和微造型，并使用這些技術(shù)對(duì)鋁材進(jìn)行激光打標(biāo)。我們還開(kāi)發(fā)了對(duì)更具挑戰(zhàn)性的銅材和無(wú)涂層玻璃表面進(jìn)行打標(biāo)的技術(shù)，它清楚表明，未來(lái)還將會(huì)有適用于范圍更廣泛的表面結(jié)構(gòu)的工藝應(yīng)用出現(xiàn)。
銅材之間或與其它金屬之間的激光焊接一直是低功率熱傳導(dǎo)焊接領(lǐng)域的一項(xiàng)難題，這是因?yàn)橥瑫r(shí)存在固有的高反射率和擴(kuò)散系數(shù)，以及不一致的原生表面氧化層。事實(shí)表明，這種深色打標(biāo)技術(shù)在焊接銅時(shí)，可以提高一致性。作為正在進(jìn)行的研究的一部分，通過(guò)激光束來(lái)改善和規(guī)范表面吸收性，這些精細(xì)構(gòu)造也可以提高銅或鋁與其它不同金屬之間的結(jié)合。
在相關(guān)案例中，采用了同樣的亞納秒激光器對(duì)金屬進(jìn)行激光預(yù)處理，以便其隨后可與透射性聚合物粘合在一起。激光清潔表面所具有的優(yōu)勢(shì)，例如因激光預(yù)處理導(dǎo)致的表面積增加以及局部的激光加熱，促使特定金屬-聚合物組合的結(jié)合可輕松達(dá)到基材的強(qiáng)度水平。
最后，使用傳統(tǒng)激光掃描技術(shù)對(duì)光學(xué)表面的漫射或光散射能力是有保障的。正在考慮的應(yīng)用是控制眩光，這反過(guò)來(lái)又使加工物體更容易為人眼所見(jiàn)。這里所展示的性能顯著增強(qiáng)并且具有成本效益的光纖激光器的問(wèn)世，使客戶能夠?qū)⒓す獯驑?biāo)從低成本應(yīng)用轉(zhuǎn)向附加值更高的打標(biāo)和微造型應(yīng)用領(lǐng)域。
