簡(jiǎn)介
IPG Photonics不斷致力于改進(jìn)激光器的處理能力。盡管市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)很多平均功率為500W的調(diào)Q激光器，但平均功率為50W的激光器依然很受歡迎。下文將介紹重復(fù)頻率提升至200 kHz的激光器，對(duì)于這些激光器，其重復(fù)頻率的提升提高了它們對(duì)某些特殊應(yīng)用的處理能力。
重復(fù)頻率
是描述單位時(shí)間內(nèi)激光脈沖數(shù)量的重要指標(biāo)，重復(fù)頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)的工作脈沖數(shù)量越多，在高速度、高精細(xì)度加工時(shí)可獲得更高質(zhì)量的加工效果。
圖1200kHz重復(fù)頻率加工效果示例
通用標(biāo)記
平均功率為20W、重復(fù)頻率為20kHz、脈沖能量為1mJ是通用標(biāo)記應(yīng)用中常見的參數(shù)設(shè)置。很多金屬標(biāo)記采用的是高速單向字體的工藝，在重復(fù)頻率為20kHz、脈沖能量為1mJ、掃描速度為2m/s時(shí)產(chǎn)生肉眼可見的標(biāo)記。這是因?yàn)樵谶@樣的速度和重復(fù)頻率下，連續(xù)激光光斑幾乎可以"摸得到"，同時(shí)還產(chǎn)生準(zhǔn)連續(xù)的劃線。IPG生產(chǎn)的20W脈沖能量為1mJ、重復(fù)頻率為50kHz的YLP激光器（如圖1）就可以實(shí)現(xiàn)這種金屬表面快速剝離式的標(biāo)記。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)YLP系列激光器
高重復(fù)頻率下的應(yīng)用
對(duì)于金屬和非金屬的某些應(yīng)用，要求重復(fù)頻率>100kHz。平均功率與脈沖能量和重復(fù)頻率之間的關(guān)系是：
平均功率（W）=脈沖能量（J）×重復(fù)頻率（Hz）
當(dāng)重復(fù)頻率增加，脈沖能量、峰值功率和峰值功率密度（W/cm2）就減少至金屬表面剝離所需的最小值，在重復(fù)頻率為100kHz、平均功率為20W的情況下脈沖能量?jī)H需0.2mJ。此時(shí)用激光器很少會(huì)產(chǎn)生金屬熔化，因此很少會(huì)出現(xiàn)金屬燒蝕或者表面剝離。如果重復(fù)頻率增加到Y(jié)LP系列可達(dá)到的200kHz，脈沖周期將減少至5μs。由于光束和蒸汽之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，在金屬表面能看到幾乎持續(xù)出現(xiàn)的光束，而且光束照射部位的金屬表面溫度在相鄰脈沖間不會(huì)產(chǎn)生變化。
這一規(guī)律被應(yīng)用于具有非常精細(xì)要求的金屬表面處理。當(dāng)掃描速度為0.1-2m/s時(shí)，伴生了激光光斑的高度重疊。這使低能量脈沖能夠?qū)饘俦砻孢M(jìn)行非常精細(xì)的處理，特別是在高速掃描對(duì)樣件的熱影響能夠降低的情況下。結(jié)果是，在某種高度可控的方式下金屬表面的溫度也可能局部上升。盡管這種加熱可能會(huì)產(chǎn)生許多不同現(xiàn)象，我們將討論其中兩種與商業(yè)利益相關(guān)的激光標(biāo)記。
1.平滑表面粗糙--激光拋光
此方法中，僅處理掉少量的表面粗糙，降低了組件的表面粗糙程度。在某些實(shí)例中，該技術(shù)可以得到足夠多的視覺對(duì)比度以獲得滿意的標(biāo)記。在圖3中，標(biāo)記表面粗糙度小于1μm。
圖3 標(biāo)記表面粗糙度小于1 μm
2.增加表面氧化物--彩色標(biāo)記或打黑標(biāo)記
常見的平均功率為50W的YLP光纖激光器重復(fù)頻率已達(dá)到200kHz，因而它們的加工能力可以拓展到一些特殊的應(yīng)用。在這里，這里我們重點(diǎn)說說不銹鋼氧化物打黑。
該技術(shù)還能夠得到足夠多的視覺對(duì)比度（取決于金屬表面的狀況）以獲得肉眼可見的滿意的標(biāo)記。如果通過選擇功率密度、處理速度和激光器功率來仔細(xì)地控制工件表面的熱輸入，工件表面就會(huì)均勻受熱。特別是對(duì)于不銹鋼，在高溫下極薄的原生氧化層得到了局部加強(qiáng)。隨著表面氧化層厚度增加，由于工件表面反射光逐漸消失，首先能夠觀察到標(biāo)記顏色的變化。當(dāng)厚度增加超過200-300nm時(shí)，肉眼觀察到的標(biāo)記變成了黑色，如圖4所示。
圖4 50mm×90mm304不銹鋼，200kHz下形成的光滑耐腐蝕標(biāo)記
與大多數(shù)激光打標(biāo)技術(shù)相比，醫(yī)療器械的標(biāo)識(shí)需要一種不同于以往的打標(biāo)技術(shù)。這種暗氧化物打標(biāo)被稱為"黑色打標(biāo)"（如圖5）。"黑色打標(biāo)"也就是"金屬打標(biāo)"，在這里我們所說的金屬通常是指不銹鋼。"黑色打標(biāo)"的特點(diǎn)是形成一種黑色的氧化涂層，不會(huì)過多地熔化或破壞器械表面，在打標(biāo)表面的光潔度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于并沒有清除材料本身，所以打標(biāo)過程完全不會(huì)破壞例如不銹鋼材料本身所具備的重要功能性或者是抗腐蝕性。
圖5 醫(yī)療器械不銹鋼氧化物打黑
對(duì)于這類打標(biāo)有三個(gè)基本要求：
"需要一個(gè)光滑表面以防止殘余碎片的污染
"標(biāo)記必須呈黑色使肉眼可見
"標(biāo)記在設(shè)備工作過程中不能被腐蝕掉
如今，YLP系列的調(diào)Q光纖激光器能夠提供這樣高的重復(fù)頻率，其脈沖間隔時(shí)間、脈沖周期可減少至5μs。但是由于激光光束與材料蒸氣間復(fù)雜的相互作用，因此在材料表面可獲得幾乎連續(xù)的光束。通過選擇功率密度、加工速度和激光功率來精確地控制激光熱輸入量，即可生成肉眼可見且相對(duì)較厚的暗氧化層。
在激光打標(biāo)過程中，通過光柵掃描建立文字?jǐn)?shù)字字符或者圖表。正確調(diào)整光柵線填充間距，通過激光加熱法在打標(biāo)區(qū)域內(nèi)獲得平坦且光滑的氧化層。
YLP激光器配備焦距為163mm的光學(xué)系統(tǒng)，將會(huì)在工件上獲得大小為50μm聚焦光斑，從而獲得理想的焦深，因此，無論目標(biāo)物與透鏡間的距離如何變化，都可以實(shí)現(xiàn)打標(biāo)加工。在此過程中，由于傳導(dǎo)效應(yīng)，激光在不銹鋼表面加熱而產(chǎn)生的實(shí)際氧化區(qū)域比聚焦光斑的尺寸大。
結(jié)果
合作項(xiàng)目顯示，304不銹鋼符合氧化物打標(biāo)的所有要求。這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于室內(nèi)加速腐蝕實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)是基于ASTMF1089標(biāo)準(zhǔn)，使腐蝕結(jié)果在幾分鐘內(nèi)迅速得到反饋。而樣品的最終驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)是在高濃度鹽溶液中浸泡長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)，同時(shí)逐漸升高溫度。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他在醫(yī)療設(shè)施產(chǎn)業(yè)上采用的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果相吻合，例如多重高壓循環(huán)實(shí)驗(yàn)。另外，許多不銹鋼醫(yī)療設(shè)備在打標(biāo)后需經(jīng)過鈍化處理，在此過程中標(biāo)記不能被去除或者變模糊。
利用可見光顯微鏡技術(shù)，可以觀察到當(dāng)熱輸入量增加時(shí)，氧化層是如何從不銹鋼晶界中形成的。值得注意的是，在激光加工過程中的熱輸入量過量時(shí)，氧化物也會(huì)出現(xiàn)過度生長(zhǎng)。過量的熱量輸入會(huì)形成更加粗糙的表面，并且易被嚴(yán)重腐蝕。
與傳統(tǒng)的閃光燈泵激光器相比，采用加工速度為50-75mm/s的光纖激光器來完成這一加工任務(wù)時(shí)的速度提高了很多。值得注意的是，最優(yōu)激光參數(shù)會(huì)受到不同材料組成以及不同表面光潔度的影響。所以，每一個(gè)標(biāo)記仍需要分情況處理，同時(shí)牢記此方案中的通用原則。
總結(jié)
IPG應(yīng)用中心制定出了在不銹鋼上標(biāo)識(shí)出抗裂紋腐蝕暗標(biāo)記指南。IPG憑借領(lǐng)先的打標(biāo)技術(shù)水平，致力于幫助客戶解決現(xiàn)有技術(shù)問題、為客戶提供合適的打標(biāo)應(yīng)用解決方案。
