激光打标和激光表面加工的关系(二)

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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。

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。

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。

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。

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。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。

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。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。

讨论及总结

本文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。对更具挑战性的铜材和无涂层玻璃表面进行打标的技术表明,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。

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。

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激光打标和激光表面加工的关系(二)

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。