1 引言

作为重要的工业基础材料,铝合金具有强度高、延展性好等性能,其经阳极氧化处理后可以呈现不同颜色,被广泛应用于各行各业^[1]。近年来,物联网技术的发展要求实现二维条码与图形的快速标记。常规的标记方法^[2]有贴标签、印刷、喷印等,但效率低、有污染,且无法满足快速标记要求;而利用激光表面处理技术制作图形与条码,不仅成本低、精度高、效率高,还能防伪,该技术已被广泛用于工业生产^[3]。

铝合金的激光处理^[4]一般选用波长为1064 nm的普通脉冲激光,铝合金对激光吸收率较低,材料表面经激光处理形成的图形为对比度低的灰白色,无法被工业扫描枪读取,进而无法实现铝合金产品的在线快速识别。因此,如何标记色差、对比度高的图形与条码成为亟待解决的问题。文献调研结果显示,对于金属激光着色作用的机理有多种解释^[5-7],例如:利用高能量激光束照射在材料表面,局部升温产生熔化或蒸发,从而产生图形;金属材料中含有铁、铬、锰、镍等元素,激光标记后发生氧化反应,进而生成氧化薄膜,光在薄膜表面发生干涉,显示出不同颜色等。

一些学者对铝材激光标记工艺参数进行了研究。曹荣华^[8]采用脉冲宽度为80~260 ns的光纤激光器对6061铝合金进行试验,研究了材料去除率对图形对比度的影响;陶亮等^[9]采用灯抽运激光器对2021、5052、6063、7075 这4种铝合金进行试验,研究了铝材化学成分对图形对比度的影响;武玉松等^[10]采用脉冲宽度为260 ns的光纤激光器对6061铝合金进行试验,研究了线间距、电流强度、扫描速度、调Q频率4个工艺参数对标记图形刻蚀深度的影响;魏鑫磊等^[11]选用1060铝合金,研究了填充方式、扫描速度、功率对图形对比度的影响;Penide等^[12]研究了不同波长(535 nm和1064 nm)的激光器对铝材烧蚀量的影响;Li等^[13]选用5A06铝合金研究了激光加工温度和重复次数对加工区形貌的影响。上述研究结果表明,脉冲宽度、扫描速度、频率、激光波长、激光设定功率、材料成分等因素对图形对比度具有显著影响,但所得到的图形均呈灰白色,无法形成高色差、高对比度的黑色图形。

为了解决上述问题,本文采用脉冲宽度为4 ns的光纤激光器对阳极氧化的5052铝合金进行研究,利用单因素试验法,通过固定扫描速度、频率、扫描间距,改变激光功率获得高色差、高对比度的黑色图形。同时,分析激光功率对图形对比度的影响规律,通过对比分析激光处理后图形的微观形貌变化,阐述激光表面处理形成图形的机理。所提方法可有效解决阳极氧化铝上激光无法形成高色差、高对比度图形的问题,有助于激光与铝材作用机理的进一步研究,并可推动物联网“一物一码”技术的发展。

2 试验

2.1 试验设备与材料

试验选用纳秒级(10^-9 s)短脉宽激光设备,其由激光器、振镜系统、软件控制系统、光路系统构成。该系统可产生波长为1064 nm、最大平均功率为20 W的脉冲激光,焦距为210 mm,激光束的质量因子M²<1.3,聚焦后的光斑直径约为46 μm。激光标记设备的工作原理如图1所示,光纤激光器产生的激光束经过振镜偏转后,聚焦镜将光束会聚到工作平面上形成聚焦光斑,计算机软件通过控制X、Y轴振镜来控制光斑的移动轨迹,进而在材料表面形成标记图形。

图 1. 激光标记设备工作原理图

Fig. 1. Working schematic of laser marking equipment

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试验选用厚度为0.5 mm的5052铝合金板材作为基体材料,成分如表1所示,经阳极氧化工艺处理后,采用线切割设备加工成尺寸为30 mm×30 mm×0.5 mm的样品。为了去除铝合金表面的污渍及粉尘,在激光表面处理前,将试样放入乙醇溶液中进行1 h超声波清洗,以减少表面杂质的影响。

2.2 试验方法

激光设备控制软件中可调的工艺参数如下:扫描速度范围为0~2500 mm/s,设定功率范围为0~100%P₀(P₀为激光器的额定功率),频率范围为0~800 kHz,扫描间距为0~0.1 mm。扫描速度、频率、扫描间距的改变会影响光斑重叠率,进而影响激光能量评估结果,所以需要固定扫描速度、频率、扫描间距,采用单因素试验法,只改变激光设定功率,研究激光功率对图形对比度及微观形貌的影响,在大量重复试验后,激光表面处理工艺参数如表2所示。

2.3 测试与分析方法

利用Laser point Plus2激光功率计测量激光的输出功率,使用高清相机拍摄图形的宏观效果图,采用Adobe Photoshop软件的灰度测量功能分析样品标记区域与未标记区域的灰度值 I,标记图形的对比度值R可表示为^[11]

R=I0-ImI0+Im,(1)

式中I_m、I₀分别为标记区域和未标记区域的平均灰度值。R可衡量标记区域与未标记区域的灰度值相对偏差,R值越大,图像的对比度越高。

按照标准的金相试样制备程序进行制样。激光表面处理后,采用金相显微镜与扫描电子显微镜(SEM)观察样品表面的微观形貌。

3 试验结果与分析

3.1 激光功率对宏观图形的影响

试验利用纳秒(10^-9 s)级短脉宽激光设备对阳极氧化5052铝合金进行表面处理,采用单因素试验法,固定扫描速度、扫描间距、脉冲宽度和频率,设定激光设备的功率为23%P₀、25%P₀、27%P₀、33%P₀、38%P₀、40%P₀、50%P₀,氧化铝表面经激光处理后,形成了不同灰度的图形,效果如图2 所示。当激光设定功率为23%P₀时,铝材上只有小部分区域被加工,形成颜色较浅且分布不均匀的图形,如图2(a)所示;当激光设定功率为25%P₀时,激光作用效果明显,图形颜色呈浅黑色且逐渐均匀,如图2(b)所示;当设定功率在27%P₀~33%P₀范围内时,经激光处理的铝材表面图形呈深黑色,如图2(c)、(d)所示;当设定功率为38%P₀时,图形由黑色变为深灰色;当设定功率为40%P₀~50%P₀时,图形颜色变为浅灰色,如图2(f)、 (g)所示。

图 2. 不同功率下阳极氧化5052铝合金激光表面处理后的宏观效果。(a) 23%P0;(b) 25%P0; (c) 27%P0;(d) 33%P0;(e) 38%P0;(f) 40%P0;(g) 50%P0

Fig. 2. Macroscopic displays on surface of 5052 anodic aluminum oxide alloy after laser surface processing with different setup powers. (a) 23%P0; (b) 25%P0; (c) 27%P0; (d) 33%P0; (e) 38%P0; (f) 40%P0; (g) 50%P0

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上述结果表明,利用短脉宽激光加工阳极氧化铝表面,可形成高色差、高对比度的图形。从工业扫描枪对图形的识别要求来看,图形颜色越深,则对比度越高,读取率越大,图2(c)、(d)所示样品的颜色能够满足要求。

3.2 激光功率对图形对比度的影响

功率的变化对图形宏观效果具有显著影响,采用Laser point Plus 2激光功率计测量不同工艺参数组合下的激光输出功率。图3所示为激光输出功率与对比度的关系,其中a~g对应的激光输出功率为1.64,1.88,2.13,2.76,3.32,3.58,4.66 W。a点之前激光输出功率<1.64 W,激光能量较低,阳极氧化铝表面无法被激光加工;a~b段的激光输出功率为1.64~1.88 W,部分材料被加工形成图形;

图 3. 激光输出功率与图形对比度关系

Fig. 3. Laser output power as a function of pattern contrast

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b~c段的激光输出功率为1.88~2.13 W,随激光输出功率的增大,对比度快速增大;c~d段的激光输出功率为2.13~2.76 W,对比度最大且基本不变;d~f段的激光输出功率为2.76~3.58 W,随着输出功率的增大,图形颜色由黑色向深灰色转变,对比度下降;f~g段的激光输出功率为3.58~4.66 W,图形由深灰色转为浅灰色,对比度迅速减小。同时还发现,功率大于4.66 W之后,随着激光输出功率的增大,对比度先下降后保持不变。

当扫描速度为130 mm/s,频率为300 kHz,脉冲宽度为4 ns,激光功率为2.13~2.76 W时,对比度R最大。激光功率对图形对比度具有显著影响。当激光输出功率较低时,无法加工铝材,无法在其表面形成标记图形;当激光输出功率超过阈值1.64 W时,对比度迅速上升,然后达到最大,之后功率进一步增大,形成的标记图形为灰色,对比度降低。

3.3 激光功率对微观形貌的影响

为了探究激光处理形成图形的机理,采用金相显微镜对激光处理后的铝材表面进行微观分析,不同功率下阳极氧化5052铝合金激光处理后的微观形貌如图4所示。激光照射在铝材表面时,材料表面吸收激光光能并转化为热能,材料表面升温,进而出现表面形貌的变化。当激光功率为1.64 W时,材料表面只有小部分受到激光作用发生变化,仍存在一半的区域未形成图形,如图4(a)所示;随激光功率升高到1.88 W,材料表面大部分区域受激光作用,形成不均匀分布的图形,如图4(b)所示;当激光功率达到2.13 W时,表面发生显著变化,形成大量的细微裂纹,而宏观图形显示为均匀的黑色图形,如图4(c)所示;当功率升高到2.76 W时,材料表面发生熔化与蒸发,但仍然保留裂纹形貌,此时宏观图形显示为黑色,如图4(d)所示;当功率达到3.32 W时,铝材表面已完全熔化,裂纹状的微观结构消失,此时宏观图形显示为深灰色,如图4(e)所示;当功率继续增大到3.58 W时,铝材表面受激光热作用后凝固,形成不光滑的表面,宏观图形显示为灰色,如图4(f)所示;当功率增大到4.66 W时,加工区内形成平坦层,宏观图形显示为浅灰色,如图4(g)所示。

图 4. 不同功率下阳极氧化5052铝合金激光表面处理后的微观形貌。(a) 1.64 W;(b) 1.88 W;(c) 2.13 W;(d) 2.76 W;(e) 3.32 W;(f) 3.58 W;(g) 4.66 W

Fig. 4. Micro-morphologies on surface of 5052 anodic aluminum oxide alloy after laser surface processing with different setup powers. (a) 1.64 W; (b) 1.88 W; (c) 2.13 W; (d) 2.76 W; (e) 3.32 W; (f) 3.58 W; (g) 4.66 W

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3.4 激光标记图形的机理分析

利用纳秒级(10^-9 s)短脉宽光纤激光器,扫描速度为130 mm/s,设定功率为33%P₀,频率为300 kHz,脉冲宽度为4 ns,此时激光光束的平均输出功率为2.76 W,单脉冲的峰值功率达到7 kW时,可获得对比度为96.67%的图形。利用SEM分析最优加工参数下的样品,得到铝材表面SEM微观形貌图,如图5所示。从表面来看,样品的加工区与未加工区存在明显的边界,加工区的表面出现了细裂纹状结构,如图5(a)所示;将边界放大至5000倍时,裂纹状结构的铝材依然为多孔型阳极氧化铝,如图5(b)所示。激光加工时铝材吸收光能转化为热能,单次脉冲激光光束的作用时间极短(4 ns),峰值功率极高,铝材会在短时间内急速升温,部分材料发生熔化与蒸发,进而形成具有细裂纹状结构的表面形貌。

图 5. 铝材表面SEM微观形貌。(a) 500倍;(b)局部放大5000倍

Fig. 5. SEM micro-morphologies of aluminum surface before and after laser surface processing. (a) 500×; (b) local amplification for 5000×

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从截面来看,激光加工前的阳极氧化铝材表面为一层连续、平整、厚度均匀的氧化铝薄膜,膜层的厚度约为3 μm,如图6(a)所示;激光加工后,氧化铝膜层和基材铝合金界面处发生明显的变化,氧化铝膜发生了断裂,且在氧化铝膜与基体铝合金之间产生了很多细微的孔洞,如图6(b)所示,这些细微孔洞的形成原因是铝材将吸收的激光的能量转为热能,进而由表面膜层向内部基材传递,而铝合金基材熔点远低于氧化铝膜层,在极短时间内受热熔化再凝固产生了很多微孔。铝基材和氧化铝的热膨胀系数差别很大,导致薄膜发生开裂;同时,氧化铝薄膜熔化与蒸发后,形成了裂纹状形貌。这种裂纹状的微观形貌对可见光吸收率高,宏观显示为黑色。

图 6. 铝材截面SEM微观形貌。(a)激光处理前;(b)激光处理后

Fig. 6. SEM micro-morphologies of aluminum cross section. (a) Before laser surface processing; (b) after laser surface processing

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其他工艺参数固定不变,设定功率为38%P₀,在该工艺参数组合下,激光光束的平均输出功率为3.26 W,图形对比度为95.34%。采用SEM对样品表面的激光处理区和未处理区进行观察,结果如图7所示,加工区与未加工区存在明显的界面,由于激光能量较高,加工区内铝材已完全熔化凝固,形成了平坦层;相比于设定功率为33%P₀时形成的裂纹状结构,此时加工区的吸光率下降,宏观显示为深灰色。

图 7. 设定功率为38%P0时铝材表面SEM微观形貌

Fig. 7. SEM micro-morphologies of aluminum surface before and after laser surface processing with setup power of 38%P0

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4 结论

采用短脉宽的脉冲光纤激光在阳极氧化5052铝合金表面,通过调整激光参数改变激光能量,得到了高色差、高对比度图形,有效解决了铝材激光标记的应用过程中存在的问题。激光功率对图形对比度有显著影响。当激光功率低于1.64 W时,光束能量无法达到铝合金熔化阈值,表面无法形成标记图形;当激光功率为2.13~2.76 W时,激光能量超过阈值,材料表面部分熔化与蒸发,对比度迅速上升至最大;当激光功率高于3.58 W时,高激光能量使材料表面完全熔化,形成灰色的标记图形,对比度下降。通过优化激光表面处理工艺参数组合,发现当扫描速度为130 mm/s,频率为300 kHz,脉冲宽度为4 ns,扫描间距为0.005 mm,设定功率为27%P₀~33%P₀时,标记图形的对比度最大。

激光在铝材表面诱导形成微细裂纹结构,该结构对可见光吸收率较高,阳极氧化5052铝合金在激光表面处理后形成了高色差、高对比度图形,标记图形宏观上呈现黑色,对比度高。微细裂纹的形成原因如下:一方面,铝合金基体与氧化铝膜层的热膨胀系数不同,热胀冷缩使得膜层开裂;另一方面,高能激光对氧化铝膜层有一定的刻蚀作用。