CN109048047B - 一种硬脆材料的激光打标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硬脆材料的激光打标方法，采用三层烧蚀硬脆材料表面进行打标，保证激光打标痕迹具有足够的深度，达到可视化效果；层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为d，层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为1.5d，使第二层和第三层的激光扫描可以有效去除前面一次激光扫描留下的残余高度，同时保证层一、层二和层三之间的扫描宽度逐步变窄，使层与层之间的边缘平缓过渡；同一层内相邻激光扫描路径中心线的距离为d，可以使相邻扫描路径之间形成清晰的分隔线，在光照下形成磨砂效果，进一步提高打标的清晰度。最终获得没有微裂纹且标记清晰的刻痕。本发明可应用于硬脆材料表面的激光打标。

Description

一种硬脆材料的激光打标方法
技术领域
本发明涉及表面处理领域，具体涉及一种硬脆材料的激光打标方法。
背景技术
光纤激光打标机的成本低廉，目前已在塑料、钢材等材料上大规模应用，然而采用光纤在玻璃、陶瓷等硬脆材料上进行激光打标时，由于激光加热时的热应力梯度，硬脆材料表面的激光打标区域容易形成微裂纹，这些垂直于激光移动方向的裂纹将形成新的裂纹，扩展到原标记外附近区域形成碎片，从而影响标记的清晰度，严重时甚至使材料破裂。因此，需要发展新的光纤激光硬脆材料打标工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬脆材料的激光打标方法，以在硬脆材料表面形成清晰刻痕，同时保证材料不会碎裂。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种硬脆材料的激光打标方法，由以下步骤组成：
步骤一，将所需的图形或字符输入打标软件，设定激光扫描路径为沿边界扫描，扫描方式为由外向内；
步骤二，假定激光光斑直径为d，字符或图形宽度为w，激光扫描路径的数目为n，则n＝W/2d，将圆整后的n作为激光扫描路径的数目，n为0.5的整数倍；
步骤三，将激光打标机的打标参数设定为单脉冲能量为0.5～1mj、扫描频率为20～50KHz、扫描速度为1～1.5m/s，相邻扫描路径中心之间的距离为d，扫描路径的数目为n，完成层一的激光扫描；
步骤四，采用与步骤三相同的单脉冲能量、扫描频率和扫描速度的光纤激光参数，进行层二的激光扫描，并且保证层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为d，相邻扫描路径中心之间的距离为d，扫描路径的数目为n-0.5，完成层二的激光扫描；
步骤五，采用与步骤三相同的单脉冲能量、扫描频率和扫描速度的光纤激光，进行层三的激光扫描，并且保证层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为1.5d，相邻扫描路径中心之间的距离为d，扫描路径的数目为n-1，完成层三的激光扫描；
所述的激光打标机采用光纤脉冲激光器，以高速振镜实现图形和字符的打标；激光束的光束模式为高斯分布；激光束光斑直径d小于等于50μm。
所述的扫描路径的数目为n为0.5的整数倍，且n大于等于3。
所述的硬脆材料为玻璃、陶瓷等材质。
本发明的工作原理为：以单脉冲能量为0.5～1mj、脉宽为10～100ns、扫描频率为20～50KHz、扫描速度为1～1.5m/s的脉冲光纤激光进行激光打标，可以使标刻线条具有良好的可视性；为了使脉冲光纤激光器打标获得可视化效果，标记的线宽通常超过0.3mm，由于聚焦后激光束通常在0.05mm左右，因此n必须大于等于3；采用三层烧蚀硬脆材料表面进行打标，保证激光打标痕迹具有足够的深度，达到可视化效果；由于激光束的能量为高斯分布，因此激光打标出来的截面形状为中间低两边高，层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为d，层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为1.5d，使第二层和第三层的激光扫描可以有效去除前面一次激光扫描留下的残余高度，同时保证层一、层二和层三之间的扫描宽度逐步变窄，使层与层之间的边缘平缓过渡，有效地避免了硬脆材料在边缘的开裂，同时提高了打标的清晰度；同一层内相邻激光扫描路径中心线的距离为d，可以使相邻扫描路径之间形成清晰的分隔线，在光照下形成磨砂效果，进一步提高打标的清晰度。
本发明具有的有益效果：本发明通过采用三层烧蚀硬脆材料表面进行打标，可以保证激光打标痕迹具有足够的深度，达到可视化效果；层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为d，层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为1.5d，可以保证第二层和第三层的激光扫描可以有效去除前面一次激光扫描留下的残余高度，同时保证层一、层二和层三之间的扫描宽度逐步变窄，使层与层之间的边缘平缓过渡，有效地避免了硬脆材料在边缘的开裂，同时提高了打标的清晰度；同一层内相邻激光扫描路径中心线的距离为d，可以使相邻扫描路径之间形成清晰的分隔线，在光照下形成磨砂效果，进一步提高打标的清晰度。
附图说明
图1为本发明工件在标刻图形位置的剖面图
图2为本发明激光打标俯视图
图中：L为层代号，P为路径代号，L1P1表示激光束的中心在层一沿路径1扫描，依次类推。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明的工件在标刻图形位置的剖面如图1所示；激光打标俯视图如图2所示。
实施例1
本实例中，激光器为脉冲光纤激光器，激光器单脉冲能量为0.5mJ，频率为 20KHZ，激光束脉宽为10ns，波长1064nm，激光光斑直径为0.05mm，扫描速度为1m/s，硬脆材料为氮化硅。在工件表面采用激光器标刻如图2(a)所示的图形，图形宽度W为0.28mm，长度为5mm。具体步骤如下：
步骤一：将所需的图形或字符输入打标软件，设定激光扫描路径为沿边界扫描，扫描方式为由外向内；
步骤二：激光扫描路径的数目n＝W/2d＝2.8，圆整n为3；
步骤三：以该激光参数，从图2(b)中扫描路径L1P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，扫描完L1P1之后分别继续扫描L1P2 和L1P3，完成层一的激光扫描；
步骤四：以该激光参数，从图2(c)中扫描路径L2P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，并且保证层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为0.05mm，扫描完L2P1之后分别继续扫描L2P2和 L2P3，完成层二的激光扫描；
步骤五：以该激光参数，从图2(d)中扫描路径L3P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，并且保证层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为0.75mm，扫描完L3P1之后继续扫描L3P2，完成层三的激光扫描，获得如图1(d)的截面轮廓；
经检测，激光打标之后，氮化硅试样表面标记清晰，无裂纹产生，激光打标质量良好。
实施例2
本实例中，激光器为脉冲光纤激光器，激光器单脉冲能量为0.75mJ，频率为35KHZ，激光束脉宽为50ns，波长1064nm，激光光斑直径为0.05mm，扫描速度为1.25m/s，硬脆材料为氮化硅。在工件表面采用激光器标刻如图2(a)所示的图形，图形宽度W为0.28mm，长度为5mm。具体步骤如下：
步骤一：将所需的图形或字符输入打标软件，设定激光扫描路径为沿边界扫描，扫描方式为由外向内；
步骤二：激光扫描路径的数目n＝W/2d＝2.8，圆整n为3；
步骤三：以该激光参数，从图2(b)中扫描路径L1P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，扫描完L1P1之后分别继续扫描L1P2 和L1P3，完成层一的激光扫描；
步骤四：以该激光参数，从图2(c)中扫描路径L2P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，并且保证层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为0.05mm，扫描完L2P1之后分别继续扫描L2P2和 L2P3，完成层二的激光扫描；
步骤五：以该激光参数，从图2(d)中扫描路径L3P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，并且保证层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为0.75mm，扫描完L3P1之后继续扫描L3P2，完成层三的激光扫描，获得如图1(d)的截面轮廓；
经检测，激光打标之后，氮化硅试样表面标记清晰，无裂纹产生，激光打标质量良好。
实施例3
本实例中，激光器为脉冲光纤激光器，激光器单脉冲能量为1mJ，频率为 50KHZ，激光束脉宽为10ns，波长1064nm，激光光斑直径为0.05mm，扫描速度为1.5m/s，硬脆材料为氮化硅。在工件表面采用激光器标刻如图2(a)所示的图形，图形宽度W为0.28mm，长度为5mm。具体步骤如下：
步骤一：将所需的图形或字符输入打标软件，设定激光扫描路径为沿边界扫描，扫描方式为由外向内；
步骤二：激光扫描路径的数目n＝W/2d＝2.8，圆整n为3；
步骤三：以该激光参数，从图2(b)中扫描路径L1P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，扫描完L1P1之后分别继续扫描L1P2 和L1P3，完成层一的激光扫描；
步骤四：以该激光参数，从图2(c)中扫描路径L2P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，并且保证层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为0.05mm，扫描完L2P1之后分别继续扫描L2P2和 L2P3，完成层二的激光扫描；
步骤五：以该激光参数，从图2(d)中扫描路径L3P1的起始点开始扫描，相邻扫描路径中心之间的距离为0.05mm，并且保证层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为0.75mm，扫描完L3P1之后继续扫描L3P2，完成层三的激光扫描，获得如图1(d)的截面轮廓；
经检测，激光打标之后，氮化硅试样表面标记清晰，无裂纹产生，激光打标质量良好。

Claims (4)

1.一种硬脆材料的激光打标方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将所需的图形或字符输入打标软件，设定激光扫描路径为沿边界扫描，扫描方式为由外向内；
步骤二，假定激光光斑直径为d，字符或图形宽度为w，激光扫描路径的数目为n，则n＝W/2d，将圆整后的n作为激光扫描路径的数目，n为0.5的整数倍；
步骤三，将激光打标机的打标参数设定为单脉冲能量为0.5～1mj、扫描频率为20～50KHz、扫描速度为1～1.5m/s，相邻扫描路径中心之间的距离为d，扫描路径的数目为n，完成层一的激光扫描；
步骤四，采用与步骤三相同的单脉冲能量、扫描频率和扫描速度的光纤激光参数，进行层二的激光扫描，并且保证层二最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为d，相邻扫描路径中心之间的距离为d，扫描路径的数目为n-0.5，完成层二的激光扫描；
步骤五，采用与步骤三相同的单脉冲能量、扫描频率和扫描速度的光纤激光，进行层三的激光扫描，并且保证层三最外侧激光束的中心线与层一最外侧边缘的距离为1.5d，相邻扫描路径中心之间的距离为d，扫描路径的数目为n-1，完成层三的激光扫描。
2.根据权利要求1所述的一种硬脆材料的激光打标方法，其特征在于：所述的激光打标机采用光纤脉冲激光器，以高速振镜实现图形或字符的打标；激光束的光束模式为高斯分布；激光束光斑直径d小于等于50μm。
3.根据权利要求1所述的一种硬脆材料的激光打标方法，其特征在于：所述n大于等于3。
4.根据权利要求1所述的一种硬脆材料的激光打标方法，其特征在于：所述的硬脆材料为玻璃或陶瓷。
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