摘要：
激光雕刻用途廣泛，常用于各種材料打標(biāo)，比如汽車零部件、機電工具制造、珠寶鐘表等。激光加工可以實現(xiàn)精雕細刻，靈活性極高，并且全程無接觸。短脈沖激光器，如本研究中使用的皮秒激光器，能夠?qū)Χ喾N材料進行雕刻，且熱影響較小，非常適合加工溫度敏感的電子元器件。本文探討了對珠寶和鐘表產(chǎn)品所用鋼材料進行深雕時，激光能量密度對雕刻質(zhì)量的影響，其中重點關(guān)注去除率和表面質(zhì)量。測試中使用了平均功率為 40W 的皮秒激光器，并采用不同的激光重復(fù)頻率、功率和脈沖串?dāng)?shù)。研究結(jié)果深刻揭示了不同能量密度水平下激光雕刻工藝的效率變化。
激光雕刻簡介：
激光雕刻具有精度高、靈活性強和非接觸性的特點，在珠寶鐘表行業(yè)中廣泛運用于各種材料的打標(biāo)和裝飾。相對于傳統(tǒng)的機械雕刻技術(shù)，激光雕刻具有諸多優(yōu)勢，它可以更好地控制雕刻的深度和寬度、雕刻區(qū)域的顏色外觀、能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計，并且?guī)缀醪粫p雕刻工具。此外，還可以對激光加工過程進行優(yōu)化，不會產(chǎn)生碎片或碎屑，加工環(huán)境更加清潔，且不易損壞金屬、寶石或陶瓷等貴重材料。
雖然該領(lǐng)域中各種應(yīng)用的具體要求差異很大，常見的一種是要求在金屬材料上雕刻一個面積為 1-10mm2、深度約 50μm 甚至達 1mm（深雕）的清晰 logo（見圖 1）。同時，這類 logo 的特征細節(jié)通常需要控制在 50μm 范圍內(nèi)，并與基材形成鮮明對比。這種高對比度要求可以通過雕刻表面 1-5μm 范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)可以選擇性反射光線，從而使材料呈現(xiàn)出特定的顏色。一般情況下這種加工不希望再有后期處理，因此需要高質(zhì)量、無毛刺的打標(biāo)操作。正如所有工業(yè)應(yīng)用一樣，加工時間和加工質(zhì)量的重要性不言而喻。這種深雕應(yīng)用要求必須達到每分鐘幾立方毫米的去除率，同時創(chuàng)建小于 50μm 的圓角半徑，最終表面粗糙度僅為幾微米，且具有線條清晰的結(jié)構(gòu)。為了能達到這些要求的最佳標(biāo)準(zhǔn)，每個脈沖的激光能量密度（也稱為通量）是個重要參數(shù)，它會影響雕刻質(zhì)量、去除率和表面粗糙度。因此，優(yōu)化能量密度對于實現(xiàn)去除率和質(zhì)量均達標(biāo)的雕刻結(jié)果至關(guān)重要。本文研究的核心就是使用平均功率為 40W 的皮秒激光器在鋼材料上進行深雕時，激光能量密度對雕刻質(zhì)量的影響。配置和測試設(shè)備
本研究使用的激光設(shè)備是皮秒激光器（λ = 1064nm，Pmax = 40W @ 1MHz，脈沖寬度 = 8ps）以及 Novanta Squirrel，這是一款配備焦距為 80mm 遠心 F-Theta 鏡頭、 11mm 通光孔徑的模擬式 2D 掃描振鏡。使用 Primes MicroSpotMonitor 分析產(chǎn)生的光束焦散，測得焦點直徑約為 50μm，整個配置的光束質(zhì)量為 M2 = 1.18（見圖 2）。為了分析創(chuàng)建的測試樣本，我們使用 KEYENCE VK-X210 激光掃描顯微鏡和 KEYENCE VW-9000 高速顯微鏡來識別表面粗糙度 (Ra) 和雕刻深度。
為了使參數(shù)范圍易于管控，我們改變了以下激光參數(shù)：激光重復(fù)頻率（1000kHz 和 200kHz）、激光功率（100% 和 50%）和脈沖串?dāng)?shù)（1、2、5、10）。在脈沖重復(fù)頻率為 1000kHz 時，傳輸?shù)拿}沖能量為 40μJ，最大能量密度為 3J/cm2。使用 50% 的功率時，能量密度就會降低到 1.6J/cm2。將激光重復(fù)頻率改為 200kHz 時，激光輸出的脈沖能量大約提高四倍 (170μJ)。因此，在 200kHz 時，100% 功率下產(chǎn)生的最大能量密度為 12J/cm2。除了 100% 和 50% 的能量密度外，還可以通過改變脈沖串?dāng)?shù)（1、2、5 和 10 個脈沖）生成其他能量密度級別（見圖 3）。這種方式下，脈沖能量被分配到多個脈沖串，從而導(dǎo)致能量密度值降低。在一個脈沖串內(nèi)總脈沖能量保持不變。脈沖串的發(fā)射頻率為種子頻率，即 30MHz。
選擇邊長為 3mm x 3mm 的簡單正方形作為測試圖案，并由定義好的間距線條填充。在初始測試中，通行次數(shù)限制為 10 次，之后將該次數(shù)外推至 100μm 的深度。為了便于比較，打標(biāo)速度固定為 1m/s。在第一組測試中，采用規(guī)定的陰影圖案和所有上文所述激光參數(shù)組合執(zhí)行 10 次雕刻后，檢查實現(xiàn)的去除率和表面粗糙度。這一步至關(guān)重要，如果表面粗糙度過高，則無法在最終的表面結(jié)構(gòu)定型步驟得到想要的結(jié)果。去除率定義為單位時間內(nèi)去除的材料體積，單位為 mm3/min。該標(biāo)準(zhǔn)可以對測試系列的所有不同激光參數(shù)做比較，并提供有關(guān)加工效率和加工速度的信息。圖 4 顯示了不同激光設(shè)置的去除率與產(chǎn)生的能量密度之間的關(guān)系。在 1000kHz 條件下，對 100% 的平均功率與 50% 的平均功率（藍色）進行比較，去除率在 1.4mm3/min 至 3.5mm3/min 之間。在重復(fù)頻率 200kHz 下，值范圍介于 0.8mm3/min 到 3.7mm3/min。在 1000kHz 和 50% 激光功率下，去除率在較低的能量密度下首先升高，達到最大值，然后降低。在 200kHz 時可以得到相同的結(jié)果，但在生成的數(shù)據(jù)中不可見。總體而言，有證據(jù)表明，1J/cm2 或更高的能量密度會導(dǎo)致去除率下降，其物理原理在本文中暫不做介紹。第二個評估標(biāo)準(zhǔn)是表面粗糙度 Ra（平均粗糙度），它可以提供加工表面質(zhì)量的深層次信息。在這項研究中，獲得非常光滑的材料表面至關(guān)重要，因為目標(biāo)市場普遍要求達到 ≤ 2μm的標(biāo)準(zhǔn)。
圖 5 顯示了表面粗糙度與能量密度的關(guān)系。測量的表面粗糙度在 1.5μm 至 5μm 之間，在高數(shù)量脈沖串和 1000kHz 和 100% 激光功率的極端組合條件下，粗糙度可高達 30μm。我們認為這是由于高脈沖重疊和材料強烈熔化所致，熔融的材料在固化時形成隨機的峰谷結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致表面粗糙度增加。提高掃描速度可以起到緩解作用，因研究范圍問題本文暫不討論?？傮w而言，圖表顯示表面粗糙度受激光器和掃描振鏡參數(shù)的影響極大，只有找到最佳參數(shù)組合才能實現(xiàn)所需光滑度。
圖 6 顯示了表面粗糙度的最差結(jié)果和最佳結(jié)果。左圖表示在 1000kHz 下達到的 30μm 粗糙度，導(dǎo)致隨機的峰谷結(jié)構(gòu)以及邊緣的高度毛刺。另一個示例顯示的是一個光滑的表面，粗糙度為 1.5μm。加工表面邊緣過度光滑，無毛刺。對于運行次數(shù)需要超過 10 次的深雕，最終的表面粗糙度會進一步受到影響。雖然 100% 和 1000kHz 條件下的去除率非常好，但產(chǎn)生的表面粗糙度令人無法接受，無法達到所需的表面光滑度。因此，200kHz 下的參數(shù)提供了最佳的消融率和質(zhì)量組合，可進一步用于更多運行次數(shù)和更高雕刻深度的測試。初步測試后，實現(xiàn) 100μm 深雕所需的重復(fù)次數(shù)在每個能量密度設(shè)置下線性外推，并且運行次數(shù)在 20 到 120 次之間。圖 7 中，顯示了 200kHz、100% 和 50% 設(shè)置下去除率（藍色）和表面粗糙度（綠色）與能量密度的關(guān)系。與之前的測試類似，通過施加 10 個脈沖串可實現(xiàn)最低能量密度，而通過單個脈沖可實現(xiàn)較高能量密度。粗糙度和去除率這兩項指標(biāo)在較低能量密度下均呈現(xiàn)更好的結(jié)果，但本測試系列中的最低能量密度除外。當(dāng)能量密度為 12J/cm2 時，去除率達到最大值，但相應(yīng)的粗糙度為 5μm，相對較高，通常不太接受。對于珠寶和鐘表行業(yè)，客戶通常希望產(chǎn)品具有特定的外觀，如黑色、白色、不透明或有光澤。如果此時表面粗糙度不是太高 (Ra < ~5 μm)，那么所有這些都可以在達到要求的深度后通過額外的精加工步驟實現(xiàn)。通過調(diào)整激光功率和脈沖重疊，可以控制表面微結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生特定的外觀。由于這需要比以前更精細的表面結(jié)構(gòu)，因此以下配色方案使用 0.6J/cm2 的能量密度。前述雕刻步驟可產(chǎn)生粗糙度為 0.5μm 的光滑表面。表面精加工后，粗糙度范圍為 1.7μm 至 2.0μm，具體取決于所要求的外觀效果。在本研究中，我們探討了不銹鋼材料的激光消融工藝，以實現(xiàn)珠寶鐘表加工中高質(zhì)量的表面結(jié)構(gòu)。我們分析了激光器和掃描振鏡參數(shù)對加工表面去除率和表面粗糙度的影響。研究結(jié)果表明，能量密度是實現(xiàn)高質(zhì)量表面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)在能量密度曲線上的具體最佳值取決于不同的激光器、掃描振鏡和材料組合。進一步的研究表明，該過程受限于質(zhì)量，而非平均激光功率。因此，除非掃描系統(tǒng)能夠在保持相同精度的前提下實現(xiàn)更高的速度，否則通常無法通過更高的平均功率激光器來實現(xiàn)工藝改進。然而，我們所做的測試充分表明，對于特定應(yīng)用需求，針對單個激光器、掃描振鏡和材料組合進行優(yōu)化是非常有必要的。在本文中，0.6J/cm2 的能量密度，200kHz 的頻率，約 18W 的平均功率和 10 個脈沖串是滿足所需質(zhì)量的理想?yún)?shù)組合。總之，希望我們的研究為實現(xiàn)不銹鋼材料高質(zhì)量表面結(jié)構(gòu)定型的激光消融工藝提供了一些有價值的信息。我們的研究結(jié)果可用于優(yōu)化特定應(yīng)用要求的激光參數(shù)，并進一步開發(fā)針對其他材料和應(yīng)用的激光消融工藝。
Novanta 優(yōu)勢
Novanta 在市場上具有獨特的優(yōu)勢，可以為尋求通過高精度激光系統(tǒng)改進其制造過程的 OEM、系統(tǒng)集成商和最終用戶提供應(yīng)對最復(fù)雜挑戰(zhàn)的解決方案。Novanta 擁有一系列業(yè)內(nèi)知名的品牌以及國內(nèi)應(yīng)用和服務(wù)支持，能夠提供可靠、精準(zhǔn)且耐用的組件和子系統(tǒng)。
我們的應(yīng)用測試實驗室可為 OEM、系統(tǒng)集成商、材料制造商、加工商以及自動化機械的最終用戶提供應(yīng)用和概念驗證測試。Novanta 的應(yīng)用工程師均為激光加工領(lǐng)域的專家，對于能夠?qū)崿F(xiàn)成功、高效激光加工的各種參數(shù)都非常了解。使用 Novanta 旗下知名品牌的激光器和光束掃描設(shè)備，我們的應(yīng)用工程師可以協(xié)助客戶確定關(guān)鍵的產(chǎn)品參數(shù)和加工專有技術(shù)，以實現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。
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