Nd∶YAG脈沖激光打黑Al99.7鋁機(jī)理研究

李建華,伊 煊,李春玲,張郁天,閆朝寧

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

1 引 言

重熔用鋁錠是重要的金屬原材料,在工業(yè)中被廣泛使用,其中牌號為Al99.7最為常見。為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)針對產(chǎn)品質(zhì)量管理提出的可追溯性要求[1],國內(nèi)生產(chǎn)的鋁錠目前均使用銅版標(biāo)簽紙標(biāo)記信息。基于激光的直接部件標(biāo)識技術(shù)(Direct Part Marking,DPM)可以將信息直接標(biāo)刻在金屬表面,具有高可靠、低成本、免維護(hù)等特點(diǎn)[2],成為了傳統(tǒng)方式的替代選擇。目前,市面上脈沖激光器種類繁多,其中納秒級Nd∶YAG脈沖激光器因?yàn)闃?biāo)刻精細(xì)、轉(zhuǎn)化效率高、成本遠(yuǎn)低于飛秒激光成為了工業(yè)應(yīng)用的首選。

激光DPM技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵就是將信息準(zhǔn)確、清晰地標(biāo)刻于工件表面。近年來,國內(nèi)外圍繞脈沖激光標(biāo)刻金屬開展了許多研究[3-5]。其中,Vorobyev等[6-8]研究了飛秒激光參數(shù)對金屬表面微觀結(jié)構(gòu)的影響,并給出了相應(yīng)表面的光譜反射率特性曲線。Lazov等[9]以對比度為指標(biāo)研究了激光參數(shù)對碳鋼表面標(biāo)刻圖形和文字質(zhì)量的影響。Leone等[10]研究了不同脈沖激光加工參數(shù)下不銹鋼表面對比度的變化規(guī)律并從微觀角度進(jìn)行了分析解釋。Lehmuskero等[11]用彩色像素對激光打彩不銹鋼進(jìn)行了建模,發(fā)現(xiàn)不同厚度的氧化物薄膜使標(biāo)刻表面呈現(xiàn)不同的顏色。Proter等[12]研究了脈沖激光參數(shù)對碳鋼表面DM碼標(biāo)刻質(zhì)量的影響規(guī)律。Ou等[13]以標(biāo)刻表面光譜反射特性為指標(biāo)對飛秒激光打黑不同金屬的能量閾值進(jìn)行了研究。劉忠民等[14]通過調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)在不銹鋼表面獲得了不同的彩色標(biāo)刻效果,并表明激光工藝參數(shù)是通過熱作用來影響打標(biāo)效果的。激光能量與金屬作用物理機(jī)制復(fù)雜,不同材料標(biāo)刻著色機(jī)理各不相同[6,14-15]。納秒級Nd∶YAG脈沖激光標(biāo)刻Al99.7鋁僅能夠獲得從白、灰到黑不同灰度顏色的圖形,且作用機(jī)理不同于飛秒激光,相關(guān)研究較少,其中的打黑著色機(jī)理有待進(jìn)一步探究。

針對以上問題,基于Nd∶YAG脈沖激光器不同參數(shù)下對Al99.7鋁材料表面進(jìn)行標(biāo)刻實(shí)驗(yàn),使用帶有積分球附件的分光光度計對激光標(biāo)刻表面進(jìn)行反射率測定,以光譜反射率為指標(biāo)對標(biāo)刻效果進(jìn)行定量分析。使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察標(biāo)刻表面微觀形貌變化,結(jié)合能譜分析儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)對標(biāo)刻表面進(jìn)行成分分析。從微觀角度對激光打黑Al99.7鋁材料的機(jī)理進(jìn)行研究,找出影響呈色的關(guān)鍵因素。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用激光器為納秒級Nd∶YAG光纖式脈沖激光器,焦距為200 mm,最大輸出功率(Wmax)為20 W,最小輸出頻率(Qmin)為20 kHz,脈寬(τ)為100ns,波長(λ)為1064 nm,光斑半徑(R)為25 μm,在焦平面上對試樣進(jìn)行標(biāo)刻。實(shí)驗(yàn)所用材料為牌號為Al99.7的重熔用鋁材,其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 Al99.7材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

分別準(zhǔn)備規(guī)格為100 mm×50 mm×5 mm、45 mm×45 mm×5 mm、10 mm×10 mm×5 mm三種試驗(yàn)材料若干,激光標(biāo)刻之前分別使用粒度為800目、1000目、1500目、1800目的水磨砂紙逐步將試樣待標(biāo)刻表面打磨平整,并對表面進(jìn)行清潔處理。使用同一組參數(shù)分別在不同規(guī)格的試樣上進(jìn)行標(biāo)刻。在規(guī)格為100 mm×100 mm×5 mm的材料表面標(biāo)刻大小為10 mm×10 mm的矩形圖形,用掃描儀CCD獲取灰度圖像；在規(guī)格為45 mm×45 mm×5 mm的試樣表面標(biāo)刻直徑為35 mm的圓形圖形,并用配有積分球的Perkin-Elmer Lambada 950型分光光度計測定表面反射率,垂直入射波長范圍從200 nm到2000 nm,分辨率為10 nm；在規(guī)格為10 mm×10 mm×5 mm的試樣表面標(biāo)刻大小為5 mm×5 mm的矩形圖形,在帶有能譜儀的JSM-6701F型場發(fā)射掃描電鏡下對標(biāo)刻表面進(jìn)行微觀形貌觀察和成分分析。為降低試驗(yàn)樣本表面氧化物導(dǎo)電性差對二次電子成像清晰度的影響,SEM觀察前對試樣做噴金處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

光纖式脈沖激光器控制參數(shù)較多,不同的控制參數(shù)下可以獲得從白、灰到黑不同深度顏色標(biāo)刻效果,影響效果的主要控制參數(shù)為激光輸出功率、脈沖頻率、掃描速度、掃描線間距。根據(jù)脈沖激光器泵浦工作原理,掃描線間距獨(dú)立于其他幾個控制參數(shù),在單條掃描路徑上激光輸出功率、脈沖頻率和掃描速度三個控制參數(shù)可以轉(zhuǎn)換為單脈沖能量和脈沖重復(fù)率兩個直接作用參數(shù),計算表達(dá)式[16]分別如式(1)、(2)所示:

(1)

(2)

式中,Eq為單脈沖能量(mJ)；P為激光輸出功率(W)；f為脈沖頻率(kHz);N為脈沖重疊次數(shù)；R為光斑半徑(mm)；v為掃描速度(mm/s)。由式(1)、(2),不同的控制參數(shù)組合下可以獲得相同的計算結(jié)果。本文所用激光器脈沖寬度不可調(diào),不同的脈沖頻率下占空比不同,但是脈沖寬度遠(yuǎn)小于脈沖間隔時長,所以脈沖間隔變化帶來的標(biāo)刻效果差別可以忽略,認(rèn)為相同的作用參數(shù)下標(biāo)刻效果一致。選取母材和4個典型標(biāo)刻效果的試樣作為研究樣本,其圖像如圖1所示。使用Adobe Photoshop對圖1中各圖像進(jìn)行灰度采集,對應(yīng)激光作用參數(shù)與圖像灰度值如表2所示。

圖1 標(biāo)刻效果圖像

SamplesN/timesEq/mJS/mmGreylevelBasemetal000221Sample12207005196Sample21005005136Sample31009005122Sample41007001108

CCD采集到的標(biāo)刻圖形圖像灰度值能夠直觀反映出標(biāo)刻效果,但成像結(jié)果容易受到光照強(qiáng)度等因素影響。因此使用帶有積分球的光度分光計對試樣表面進(jìn)行光譜反射率測定,圖1對應(yīng)各樣本在200 nm至2000 nm波長范圍內(nèi)的全反射實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 母材及各樣本光譜反射率

相較于母材各樣本在不同程度上降低了反射率值,從同一波長處樣本1到樣本4各樣本表面反射率依次降低,且隨著入射波長的增加反射率呈增長趨勢。各樣本在可見光頻帶內(nèi)的反射率變化范圍小不具有選擇性吸收特性,使標(biāo)刻圖形呈現(xiàn)從白至黑不同灰度級變化。其中樣本4表面反射率最低,可見光頻帶內(nèi)(390 nm至780 nm)的反射率在16%至19%,標(biāo)刻圖形呈現(xiàn)出較深的顏色。

Nd∶YAG激光光源符合高斯分布,能量主要集中在光斑中心附近區(qū)域。脈沖質(zhì)量開關(guān)(Q-switch)使激光短時間內(nèi)能夠獲得較高的峰值功率,納秒激光光束照射于材料表面生成大量的熱,通過熱作用使母材表面溫度超過鋁的熔點(diǎn)和燃點(diǎn)[17],形成復(fù)雜的表面微觀結(jié)構(gòu)和金屬氧化物。對4個標(biāo)刻樣本分別進(jìn)行表面成分EDS分析,EDS分析結(jié)果如表3所示。

表3 樣本表面EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

可以看出各樣本表面所含元素主要均為C、O、Al,其中C、O元素含量較母材有所升高,說明各樣本發(fā)生了不同程度的氧化,可能由空氣中引入所至。樣本4中掃描線間距最小使作用于單位面積上的能量最多表面氧化相對最充分,使其表面中O元素含量最高。但各樣本中元素成分變化關(guān)系與圖2中光譜反射率變化不構(gòu)成對應(yīng)關(guān)系。顯然,可以得出結(jié)論,樣本表面呈色和化合物顯色沒有直接關(guān)系。

在掃描電鏡下觀察樣本表面微觀形貌,SEM圖像如圖3所示。

圖3 樣本表面SEM圖像

由激光工作機(jī)理分析可知,脈沖連續(xù)掃描過程中能量不斷作用于加工區(qū)域,將使這一區(qū)域熱量實(shí)現(xiàn)累積。如圖3(b)所示為樣本1表面微觀形貌SEM圖像,光束橫向掃描路徑上脈沖重疊率較小時單位面積內(nèi)熱累積量少,有限的熱量誘導(dǎo)材料形成直徑約10～15 μm的球狀顆粒,材料表面的刻蝕深度較淺。脈沖重復(fù)率較高時母材吸收激光能量使溫度超過熔點(diǎn),材料熔化形成熔池,部分材料由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?熔池內(nèi)部體積膨脹,當(dāng)內(nèi)部蒸汽壓力超過平衡態(tài)熔池內(nèi)的液相金屬被吹出熔池[18],經(jīng)冷凝形成顆粒堆積附著于熔池周圍,這種顆粒成液滴狀表面相對光滑。激光光束沿著掃描路徑移動在母材表面刻蝕出間隔與掃描線間距(S=50 μm)相等的柵狀結(jié)構(gòu),柵格間被堆積的熔池液滴所填充,如圖3(c)所示樣本2表面SEM圖像。激光單脈沖能量越大在母材表面所形成的熔池也越大,此時從熔池內(nèi)被噴射出的金屬越多。實(shí)驗(yàn)表明在與樣本2其他條件相同情況下,當(dāng)單脈沖能量超過0.6 mJ時,鋁材表面不再有規(guī)則的光柵狀結(jié)構(gòu),表面布滿微米級孔洞,如圖3(d)樣本3表面SEM圖像。掃描線間距越小相鄰掃描路徑上的脈沖重疊越高,標(biāo)刻表面不再形成規(guī)則的光柵狀結(jié)構(gòu),而是誘導(dǎo)表面產(chǎn)生了由球狀顆粒組成的顆粒團(tuán)簇,這種結(jié)構(gòu)不同于文獻(xiàn)[19]飛秒激光作用下形成的微米柱狀(microcolums)結(jié)構(gòu),如圖3(e)所示樣本4表面SEM圖像。該種球狀顆粒表面附著有納米絮狀物直徑在15～25 μm范圍,圖3(f)為圖3(e)對應(yīng)同一區(qū)域在放大至2000倍下的SEM圖像。

樣本4表面的微米級孔洞結(jié)構(gòu)能夠增大母材比表面積,使入射的光線不斷發(fā)生折射形成光陷作用,而附著于微米顆粒表面不規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)會引起一個頻帶下的等離激元共振現(xiàn)象[19],而對入射光各頻率分量均形成吸收作用。多種吸收機(jī)制共同作用使激光標(biāo)刻后的表面反射率降低,可見光頻帶內(nèi)對入射光均勻吸收,進(jìn)而使CCD采集到的圖像灰度較低顯現(xiàn)黑色。而樣本1表面溝壑較淺不能夠有效的形成光陷作用,可見光范圍內(nèi)的表面反射率較高在46%至50%,采集圖像顯現(xiàn)較淺的灰色。樣本2、3雖然有較深的溝壑或孔洞結(jié)構(gòu)但堆積的顆粒表面較光滑,可見光波長范圍內(nèi)的反射率分別在27至31%和30%至36%,遠(yuǎn)高于樣本4,采集圖像灰度也高于樣本4。顯然,由以上分析可知激光能量誘導(dǎo)鋁材生成的表面微納米結(jié)構(gòu)使可見光頻帶內(nèi)反射率降低是使標(biāo)刻樣本呈色的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

針對Nd∶YAG脈沖激光器打黑Al99.7鋁材料表面呈色機(jī)理進(jìn)行了研究,通過對不同標(biāo)刻效果樣本進(jìn)行表面反射率測定,結(jié)合表面SEM圖像及EDS分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)Nd∶YAG脈沖激光能夠打黑Al99.7鋁的主要因素是:激光誘導(dǎo)鋁材表面生成的不規(guī)則微納米結(jié)構(gòu)引起的光學(xué)吸收作用降低了可見光頻帶范圍光線的反射率。

(2)標(biāo)刻表面微米級孔洞結(jié)構(gòu)及納米級絮狀結(jié)構(gòu)越豐富,對可見光波長范圍內(nèi)的光線吸收能力越強(qiáng),標(biāo)刻表面顏色越深得到的圖像灰度越低。

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