干货分享：激光打标机的特点及与激光表面处理的关系

在过去的几十年里，激光打标行业发展迅速。如今，有大量的激光打标系统供应商服务于世界各地的各个行业。这个市场的主要变化是引入了低功率脉冲光纤激光器，现在已经发展到几乎所有供应商都在其产品范围内提供这种类型的光纤激光打标设备。

这些激光器通常在 1070 nm 附近为近红外 (NIR)，与较长波长的 CO2 激光器相比，它们的反射率低，因此非常适合标记大多数金属产品。

但即使在这个波长范围内，标记不同金属的复杂性也不一样。铝、铜及其合金几乎被广泛应用于所有行业，这些材料可以进行激光打标，但在这些低温金属上用肉眼有时很难看到黑点。此外，经过验证的方法表明，在脉冲持续时间内具有最小损坏的高渗透性材料（例如 B 标记和纹理）通常可以在没有意外非线性行为的情况下进行处理。

激光表面处理：

在工业激光材料加工的广泛领域中，术语“激光表面处理”通常用于描述在近红外范围内使用多千瓦连续波 (CW) 激光源的各种加工类型。但是，上述方法与此处描述的方法有很大不同，可以认为它适用于微米和纳米级的表面。使用超快短 (10-12) 和飞秒 (10-15) 脉冲激光器已经确定并公布了几种方法。

这些方法的主要缺点是即使在此类低功率激光器系列中，其投资和运营成本仍然很高。由于加工速度通常取决于平均激光功率，因此对于大多数工业激光用户来说，在真实表面涂层条件下进行激光加工的成本可能会令人望而却步。

最近，已知的纳秒脉冲光纤激光器的脉冲宽度范围已扩展到亚纳秒范围，其中峰值功率增加了相应的数量级。这使得使用经济的长皮秒激光源开发新的激光表面处理工艺成为可能。

尽管这些技术通常被称为激光表面，但这些工艺在机械上与激光打标密切相关，因为它们仅限于零件的表面处理，通常需要结合激光烧蚀和熔化工艺。图 1 尝试使用行业标准术语和关键物理机制对这些种类繁多的过程进行分类。

表面纹理和激光打标分析

激光打标在以某种方式改变激光打标的表面区域以提供与未打标区域的视觉对比方面具有重要用途。

笔式轮廓仪可能是测量相关数据的最著名和最常用的方法，这就是为什么选择它们来进行激光治疗的初步评估。表面形态提供了更一般的表面特性和形状的定性和定量描述，其中成像技术是最合适的。因此，从共聚焦激光扫描显微镜中选择了 2D 和 3D 图像。

先进的分光光度计通常用于量化表面颜色。这是通过分析从可见光谱的不同点反射的光来实现的，从而产生一个独特的反射曲线，它反映了任何表面的特性，无论是否存在镜面元素。这些设备还经常用于测量表面的 L * 值或表面的色调。今天，这项技术是确定激光打标在各种消费品上的有效性的重要工具。这些反射率曲线和 L * 值用于量化强大的短脉冲光纤激光器对铝、铜和玻璃三种难处理材料的好处。

1.金属和铝表面的激光纹理。

在铝材中，天然氧化层具有吸湿性，其厚度会随着时间的推移而增加。因此，去除这种粗糙的、受污染的氧化层以暴露下面的铝以产生足够的对比度可能就足够了。另一个复杂的因素是底层铝的熔化或侵蚀程度会显着影响标记的外观。

通过仔细调整激光设置，您可以获得更明亮的表面，并具有增强对比度的混合效果。但是，如果您想要获得较低的 L * 值，则可以在大约 1 mJ 的脉冲能量下在铝上创建一个更暗、高度氧化的表面，但仍然具有坚固、非脆性的表面，从而使外观的标志没有改变。 .视角需要仔细管理过程。增加烧蚀水平以产生微粗糙表面也会导致表面更暗、吸收性更强、L * 值更高。

从铝表面去除阳极氧化层是一种常见的方法，同样的规则也适用于激光雕刻：更多的熔化意味着更多的反射表面。无论是纯铝还是阳极氧化铝，打标速度都达到了1-2m/s的高水平。最近，已经为一些阳极氧化涂层开发了激光标记技术，以使用具有短纳秒和亚纳秒持续时间的光纤激光器实现 L * <30，但比上述标记速度慢得多。

铜金属表面的激光纹理化

激光抛光金属铜以产生对比度是一种相对众所周知的工艺，但由于金属固有的高反射率，暗点通常更难实现。

通过将其与抛光前的表面粗糙度进行比较，可以观察到激光切割表面粗糙度（<1 µmRa）的差异。但表面结构更复杂，表面得到显着改善，产生了高吸水性的表面。

仍然存在非线性等离子体工艺而不是去除热材料的传统工艺的假设。另一个重要的证明是，在相同的激光参数下，可以加工 20 µm 厚的铜板而不发生材料变形，但使用平均功率为 28.5 W 的亚纳秒激光。

带有激光或玻璃标记的表面纹理

令人惊讶的是，几乎与铜材料相同的参数可用于标记未镀膜硼硅酸盐玻璃的顶部和底部。这再次证实了非线性吸收与高峰值功率光纤激光器的性能有关的假设。观察去除区域，可以看出“裂纹”非常有限，裂纹<10 µm，表面粗糙度<5 µm Ra。

本文探讨如何量化激光打标和表面图案，并将这些方法应用于激光打标铝。标记更复杂的无涂层铜和玻璃表面的技术表明，未来将有更广泛的表面图案的技术应用。

由于固有的高反射和色散系数以及氧化层的挥发性相结合，铜和其他金属之间的激光焊接一直是低功率热丝焊接中的一个问题。这种深色标记方法已被证明可以提高焊接铜时的一致性。这些精细结构还可以改善铜或铝与其他各种金属之间的粘附力，作为正在进行的研究的一部分，以改善和标准化激光束的表面吸收。