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　　簡介

　　IPG  Photonics不斷致力于改進激光器的處理能力。盡管市場上已經出現很多平均功率為500W的調Q激光器，但平均功率為50W的激光器依然很受歡迎。下文將介紹重復頻率提升至200 kHz的激光器，對于這些激光器，其重復頻率的提升提高了它們對某些特殊應用的處理能力。

　　重復頻率

　　是描述單位時間內激光脈沖數量的重要指標，重復頻率越高，單位時間內的工作脈沖數量越多，在高速度、高精細度加工時可獲得更高質量的加工效果。

　　圖1200kHz重復頻率加工效果示例

　　通用標記

　　平均功率為20W、重復頻率為20kHz、脈沖能量為1mJ是通用標記應用中常見的參數設置。很多金屬標記采用的是高速單向字體的工藝，在重復頻率為20kHz、脈沖能量為1mJ、掃描速度為2m/s時產生肉眼可見的標記。這是因為在這樣的速度和重復頻率下，連續激光光斑幾乎可以"摸得到"，同時還產生準連續的劃線。IPG生產的20W脈沖能量為1mJ、重復頻率為50kHz的YLP激光器（如圖1）就可以實現這種金屬表面快速剝離式的標記。

圖2 標準YLP系列激光器

　　高重復頻率下的應用

　　對于金屬和非金屬的某些應用，要求重復頻率>100kHz。平均功率與脈沖能量和重復頻率之間的關系是：

　　平均功率（W）=脈沖能量（J）×重復頻率（Hz）

　　當重復頻率增加，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，在重復頻率為100kHz、平均功率為20W的情況下脈沖能量僅需0.2mJ。此時用激光器很少會產生金屬熔化，因此很少會出現金屬燒蝕或者表面剝離。如果重復頻率增加到YLP系列可達到的200kHz，脈沖周期將減少至5μs。由于光束和蒸汽之間會發生復雜的相互作用，在金屬表面能看到幾乎持續出現的光束，而且光束照射部位的金屬表面溫度在相鄰脈沖間不會產生變化。

　　這一規律被應用于具有非常精細要求的金屬表面處理。當掃描速度為0.1-2m/s時，伴生了激光光斑的高度重疊。這使低能量脈沖能夠對金屬表面進行非常精細的處理，特別是在高速掃描對樣件的熱影響能夠降低的情況下。結果是，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產生許多不同現象，我們將討論其中兩種與商業利益相關的激光標記。

　　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。在某些實例中，該技術可以得到足夠多的視覺對比度以獲得滿意的標記。在圖3中，標記表面粗糙度小于1μm。

 圖3 標記表面粗糙度小于1 μm
 

　　2.增加表面氧化物--彩色標記或打黑標記

　　常見的平均功率為50W的YLP光纖激光器重復頻率已達到200kHz，因而它們的加工能力可以拓展到一些特殊的應用。在這里，這里我們重點說說不銹鋼氧化物打黑。

　　該技術還能夠得到足夠多的視覺對比度（取決于金屬表面的狀況）以獲得肉眼可見的滿意的標記。如果通過選擇功率密度、處理速度和激光器功率來仔細地控制工件表面的熱輸入，工件表面就會均勻受熱。特別是對于不銹鋼，在高溫下極薄的原生氧化層得到了局部加強。隨著表面氧化層厚度增加，由于工件表面反射光逐漸消失，首先能夠觀察到標記顏色的變化。當厚度增加超過200-300nm時，肉眼觀察到的標記變成了黑色，如圖4所示。

　　圖4  50mm×90mm304不銹鋼，200kHz下形成的光滑耐腐蝕標記

　　與大多數激光打標技術相比，醫療器械的標識需要一種不同于以往的打標技術。這種暗氧化物打標被稱為"黑色打標"（如圖5）。"黑色打標"也就是"金屬打標"，在這里我們所說的金屬通常是指不銹鋼。"黑色打標"的特點是形成一種黑色的氧化涂層，不會過多地熔化或破壞器械表面，在打標表面的光潔度方面具有顯著的優勢。由于并沒有清除材料本身，所以打標過程完全不會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  醫療器械不銹鋼氧化物打黑

　　對于這類打標有三個基本要求：

　　"需要一個光滑表面以防止殘余碎片的污染

　　"標記必須呈黑色使肉眼可見

　　"標記在設備工作過程中不能被腐蝕掉

　　如今，YLP系列的調Q光纖激光器能夠提供這樣高的重復頻率，其脈沖間隔時間、脈沖周期可減少至5μs。但是由于激光光束與材料蒸氣間復雜的相互作用，因此在材料表面可獲得幾乎連續的光束。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較厚的暗氧化層。

　　在激光打標過程中，通過光柵掃描建立文字數字字符或者圖表。正確調整光柵線填充間距，通過激光加熱法在打標區域內獲得平坦且光滑的氧化層。

　　YLP激光器配備焦距為163mm的光學系統，將會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，無論目標物與透鏡間的距離如何變化，都可以實現打標加工。在此過程中，由于傳導效應，激光在不銹鋼表面加熱而產生的實際氧化區域比聚焦光斑的尺寸大。

　　結果

　　合作項目顯示，304不銹鋼符合氧化物打標的所有要求。這項技術發展的關鍵在于室內加速腐蝕實驗。這一實驗是基于ASTMF1089標準，使腐蝕結果在幾分鐘內迅速得到反饋。而樣品的最終驗收實驗是在高濃度鹽溶液中浸泡長達一個小時，同時逐漸升高溫度。其實驗結果與其他在醫療設施產業上采用的腐蝕試驗結果相吻合，例如多重高壓循環實驗。另外，許多不銹鋼醫療設備在打標后需經過鈍化處理，在此過程中標記不能被去除或者變模糊。

　　利用可見光顯微鏡技術，可以觀察到當熱輸入量增加時，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，氧化物也會出現過度生長。過量的熱量輸入會形成更加粗糙的表面，并且易被嚴重腐蝕。

　　與傳統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時的速度提高了很多。值得注意的是，最優激光參數會受到不同材料組成以及不同表面光潔度的影響。所以，每一個標記仍需要分情況處理，同時牢記此方案中的通用原則。

　　總結

　　IPG應用中心制定出了在不銹鋼上標識出抗裂紋腐蝕暗標記指南。IPG憑借領先的打標技術水平，致力于幫助客戶解決現有技術問題、為客戶提供合適的打標應用解決方案。