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镁合金表面激光刻蚀精密打标应用
发表时间:2020-08-11     阅读次数:155     字体:【

镁合金表面激光刻蚀精密打标应用


摘 要:镁合金具有比强度高、减振性和电磁屏蔽性好等优点,在电子产品上有越来越多的应用。镁合金电子产品的徽标及文字特征标识可以采用激光刻蚀打标方法,速度快、精度高、适应性广。针对激光种类及其参数对镁合金刻蚀的影响尚缺乏定量化的研究这一现状,本文利用光纤激光打标机进行打标实验,结合表面形貌的特征分析了激光种类和参数的影响,总结了镁合金激光精密打标技术的特点与应用。

关键词:激光打标;表面刻蚀;镁合金;表面形貌

激光刻蚀是用激光聚焦形成具有高功率能量密度的细小光束,使焦点处的材料熔化或汽化蒸发,形成局部的小孔、狭缝,或在表面形成一定深度的微小细槽。激光打标就是利用激光刻蚀技术形成特征徽标或文字,与机械冲压、电火花刻蚀等传统的打标工艺相比,具有标记速度快,字迹清晰、永久,非接触式加工,可高速自动化运行等优点[1-2]。激光打标是以非机械性的方式进行处理加工,对工作表面不会产生腐蚀性和磨损性,加工后不会产生内应力而影响到工件的原有精度,可在不同材料的表面进行打印标记,具有无毒无污染性[3]。激光刻蚀打标的图文及特殊符号不会因环境如触摸、温度变化、酸减性气体等的影响而消退。激光打标可制作出精细复杂的图文或字符,不容易被仿制和更改,起到了很好的防伪作用。随着近年来光纤激光的推广应用和产品价格的降低,激光刻蚀在服装辅料、医药包装、建筑陶瓷、饮料包装、橡胶制品、外壳铭牌、工艺礼品等行业有越来越多的应用。

激光用于金属钢、铝制品打标时已有明确的参数设定,但对于镁合金材料尚处于探索改进阶段。镁合金性能优异,具有低密度、高比强度和比刚度,减振和电磁屏蔽效果优异以及易回收等优点,在电子、汽车、交通、航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪的绿色工程材料”。镁合金近年来越来越多地应用于手机和平板电脑等电子产品的外壳及衬板等部件,其生产制备方法包括液态成形的压铸法和固态成型的冲压法等。镁合金采用压铸成型时,可以在模具上加工出图案,压铸成型同时形成徽标图案,是镁合金压铸的优点之一。而采用固态冲压成型时,由于镁合金弹性系数小,回弹大,不容易形成表面花纹,目前较多采用机械冲击刻蚀和化学腐蚀法形成徽标花纹。镁合金的性能接近铝合金,熔点略低,密度只有铝的三分之二,推断铝合金的激光刻蚀打标技术也可适用于镁合金。但由于镁合金中的第二相以及其表面氧化物形态与铝合金不同,镁合金激光刻蚀的机理及激光的参数的影响规律还不清楚。本文结合激光技术的发展对镁合金的激光刻蚀应用进行分析,并通过镁合金表面刻蚀和形貌检测实验,总结激光精密打标技术的特点与优势。

1 激光打标机的种类

激光打标机的种类有很多,其激光发生原理和应用特点各有不同。

CO2激光打标机是将CO2和其他辅助气体充入放电管在电极上加高压,放电管中产生辉光放电,使气体释放出激光,波长为10.64 μm。将激光能量放大后,经振镜扫描和F-Theta镜聚焦后,在电脑和控制卡的控制下,可在工件上根据用户的要求进行数字、文字、图像、线条的标刻。适用于绝大数非金属材料,如塑料制品、竹木制品、纸质包装、皮革布料、PCB板等。

YAG激光打标机主要以半导体激光打标机为主,其优点一是寿命长、维护费用低:半导体二极管的寿命长达10 000 h,大大增加了设备的稳定可靠性,降低了日常维护的工作量,被称为免维护系统。二是具有高的标记效果:因为半导体泵浦产生的激光具有高单色性,并且激光的模式更佳,激光聚焦后的光点更小,能量更集中,2 kW的半导体激光打标机能达到6 kW的灯泵浦激光机的标记效果。

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,在光纤放大器的基础上开发出来。在泵浦光的作用下光纤中掺杂的离子跃迁到高能状态,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。作为增益介质的激光器,是替代固体激光器的新一代产品。与传统CO2、YAG激光打标机相比,光纤激光输出功率小,聚焦后的光斑直径小,圆度高,同时激光重复频率高,可以雕刻出精细美观的图案,在要求深度、光滑度、精细度较高的应用领域有着独特优势[4]。典型的光纤激光器如图1所示,其工作原理图如图2所示。

图1 光纤激光打标机
Fig.1 Optical fiber laser marking machine

图2 光纤激光打标原理
Fig.2 Principle of optical fiber laser marking

紫外激光打标机是新出的一种激光冷加工技术。紫外激光波长短,可以被聚焦到亚微米数量级的点上,即使在不高的脉冲能量水平下,也能得到很高的能量密度。紫外激光打标通过光能导致表层物质发生化学物理变化,或者是通过表层物质的蒸发露出深层物质而“刻”出痕迹,显出所需刻蚀的图案、文字。紫外光光束质量好,聚焦光斑更小,能实现超精细标记;热影响区域极小,精细度更高;标记速度快,效率高;整机性能稳定,体积小,功耗低。适用范围更加广泛,多用于打标非金属物质,如水晶、玻璃等。

以上四种激光打标机的参数详见表1。

表1 不同类型激光打标机的参数比较
Tab.1 Comparison on parameters of different types of lasers marking machine

2 镁合金激光打标实验

本实验使用光纤激光打标机在镁合金表面刻蚀。采用深圳海木星公司的ASHF-EI20光纤脉冲激光器,额定输出功率为20 W,实验设定脉冲5 μs,频率60 Hz,焦距标尺185 mm,控制扫描速度在0.5~6 m/s,光点直径在10~100 μm,激光功率在1~10 W。实验材料选取广泛应用的变形镁合金AZ31,成分为3%Al,1%Zn,0.3%Mn,其余为Mg。从轧制镁合金板带上截取尺寸为宽100 mm、长150 mm、厚度为0.1 mm和0.5 mm的AZ31板材,用酒精清洗擦拭表面进行预处理,利用激光打标机刻蚀出0、1、a、b等数字或字符,以及不同宽度的直线与交叉线,而后用光学显微镜和扫描电子显微镜观察激光刻蚀处的形貌。

2.1 扫描速度对表面形貌的影响

改变激光束的扫描速度,观察和比较镁合金板带试样表面形貌的变化。利用激光在不同速度下打出数字0,如图3所示。在扫描速度1~2 m/s时,打标点的微观尺寸稳定深度在4.8 μm左右,宽度大致在47 μm左右,如图4所示。图5是在扫描速度分别为0.5 m/s和1.3 m/s条件下打标数字0,用光学显微镜观察局部放大100倍的形貌图。在肉眼观察下,标记的清晰程度随着扫描速度的增加而降低。激光低速移动时,光束能量在材料表面停留时间长,材料有充分时间将激光束能量转化为热能,热效应首先使金属表层杂质汽化,直至合金温度达到熔点,金属熔化后在激光束能量的径向冲击波作用下向外圈流动,接触到未熔化的金属板而发生瞬间凝固。



2.2 功率对表面形貌的影响

改变输出功率对比打标刻蚀效果如图6所示。在2~6 W之间,随着功率升高,单位时间内金属吸收能量增多,材料表面温度升高,打标区域清晰程度逐渐增加,在功率达到4 W时得到较好的刻蚀表面。当功率大于6 W时,由于能量过高,对边缘粒子冲击作用过强,使粒子正常凝固受阻,标记变得模糊不清。

2.3 光点直径对表面的影响

光点直径在5~65 μm之间变化时,标记清晰程度随着光点直径的增加而升高,如图7所示。当光点直径达到65 μm时,其打标的效果达到最佳,图8为放大后的形貌图。因为随着光点直径的增大,脉冲距离不改变,激光光束轨迹部分重合,同一位置重复吸收能量使热影响区变大,温度持续积累,得到光亮图案。


金属中的自由电子在激光束作用下高频振动,部分振动能量转化为电磁波向外辐射,其余能量转化为原子动能,通过晶格间原子相互作用转化为热能使金属温度升高[7]。在镁合金表面,光点直径外缘粒子受到激光冲击波的作用,熔化后的粒子反径向流动,在较高温度梯度的影响下,金属骤冷凝固,形成月牙状侵蚀坑貌,如图9所示。在激光束低速移动时,形成的凹坑相互重叠,累加形成凹槽,凹槽的宽度在20 μm左右,深度为5 μm左右,如图10所示。使用纳米压痕仪检测打标后的微小区域硬度,与未打标处相比硬度明显增加,并且远远高于常规轧制态组织的硬度,确定打标过程为瞬间熔化和快速凝固过程。


3 镁合金表面激光刻蚀打标的应用

(1)电子产品徽标的打标。用激光刻蚀法可以形成清晰的商标图案和文字,如:一些金属手机产品已应用激光刻蚀进行中英文及图形的打标。激光打标机打出的标识字符图案精细,不容易被仿制和更改,并且可以打出二维码、条形码等标识,起很好的防伪作用。由于激光打标快速,可在规模化生产流水线上,开发出随产品移动的打标装置,即飞行打标,通过光电探头自动触发,大幅度提高生产效率。

(2)笔记本电脑外壳激光拉丝。铝镁合金笔记本电脑的拉丝是一种典型的表面处理方法。在铝合金及镁合金外壳上通过激光处理,形成类似于拉丝的花纹,加工精细、美观、时尚。采用激光打标机对笔记本电脑外壳拉丝雕花最高速度可达到10 m/s,并且刻蚀出的花纹图形美观、四周整齐,是替代刀刻,丝印的最佳工艺方法。

(3)微小部件的加工。激光刻蚀加工的宽度最小在10 μm,可以用于加工出数百微米的微小部件。利用紫外激光打标精细度高的特点,可开发心脏血管支架等精密微小部件。镁合金薄壁管经激光刻蚀后已制备出镁合金支架等产品,其切割面平滑,可避免组织损伤。除此以外,激光刻蚀的部件不会产生污染源,在植入病患体内不会导致过敏反应。这些都为激光精密刻蚀加工提供了新的应用领域。

(4)激光彩色打标。激光彩色打标设备采用最新光学技术,通过控制激光的热输入得到不同颜色激光,并在镁合金表面加工出颜色。彩色打标使被标刻的物体告别了单色,色彩层次感强,形象生动,提高了产品的品质,是对传统表面镭雕工艺的革新。彩色打标还适用于模具、金属、PVC陶瓷、塑胶等材质。

4 结论

光纤激光打标机适用于镁合金刻蚀打标。镁合金在高密度能量激光作用下的瞬间熔化和快速凝固,形成几微米的沟槽,可用于精密部件的加工。

激光扫描速度、激光功率、光点直径是影响打标质量的主要因素。标记清晰程度随扫描速度提高而下降,随着光点直径的增加而升高。随着功率增加,打标清晰程度先升高后降低,在4 W功率时打标效果最好。


 
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