CN109702354B - 一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，采用钛合金TC4或镍基合金GH4169金属片作为加工对象，搭建光路，飞秒激光器输出光经过二轴扫描振镜系统聚焦到剪式升降台上，飞秒激光器和二轴扫描振镜系统和电脑连接；利用电脑调节飞秒激光器输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1‑200kHz可调，最大单脉冲能量为200μJ；将钛合金TC4或镍基合金GH4169金属片固定在剪式升降台加工工位上，通过调节重复频率、单脉冲能量、扫描速度和槽间距，获得最优的激光烧蚀的初级标印基本参数和激光诱导的再次标印基本参数；本发明提高了飞秒激光标印的质量、效率和识别率，并且对钛合金和镍基合金都具有适应性。
Description
技术领域
本发明属于激光标印技术领域，特别涉及一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法。
背景技术
随着信息技术的快速发展，产品信息的溯源越来越重要，而作为物联网和电子商务的关键应用技术，标印图案的使用极大地提高了信息处理的速度和工作效率。为了确保产品具有识读性好的和不易损坏的标印，标印方法的选择也显得尤为重要。相比于普通商品包装上的标印，金属零件或构件上的标印具有更高的要求。激光加工由于其非接触性、灵活性等特点已经广泛应用到了各个领域。相对于传统标印方法如机械打点、电解，激光标印均匀美观、柔性好、细致，无污染，材料选择没有局限，且可以形成与产品同等寿命的标印。而连续激光、长脉冲激光和短脉冲激光的加工原理是材料通过相变去除的，所以加工部件容易产生裂纹和重铸层，因此不适应于航空航天领域涡轮部件的加工。
标印质量的首要衡量条件是能够被识别，但是随着时间的推移，标印部分可能会被氧化和侵蚀，从而影响标印的可靠性和识别率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，提高了激光标印的质量、效率和识别率，并且对钛合金和镍基合金都具有适应性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，包括以下步骤：
1)采用钛合金TC4或镍基合金GH4169金属片作为加工对象；
2)搭建光路，飞秒激光器1输出光经过二轴扫描振镜系统2聚焦到剪式升降台3上，所述的飞秒激光器1、二轴扫描振镜系统2和电脑连接；
3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1-200kHz可调，最大单脉冲能量为200μJ；
4)将钛合金TC4或镍基合金GH4169金属片固定在剪式升降台3加工工位上，通过激光扫槽方式制备标印单元，调节激光重复频率、单脉冲能量、扫描速度和槽间距，获得激光烧蚀的初级标印的最优基本参数：重复频率50kHz，单脉冲能量150μJ，扫描速度60-80mm/s，槽间距10-15μm；
5)在初级标印的基础上采取再次激光诱导抗反射微纳米结构的方式，调节激光功率、扫描速度和槽间距，获得最优的激光诱导标印的基本参数：激光功率650-850mW；扫描速度30-50mm/s；槽间距：5-10μm。
所述的钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，含钛(Ti)余量，铁(Fe)≤0.30，碳(C)≤0.10，氮(N)≤0.05，氢(H)≤0.015，氧(O)≤0.20，铝(Al)5.5～6.8，钒(V)3.5～4.5。
所述的镍基合金GH4169材料组成为镍(Ni)≤56.02，铁(Fe)≤20.55，铬(Cr)≤20.22，铌(Nb)≤3.21。
本发明的有益效果：
通过采用飞秒激光烧蚀复合诱导制备具有抗反射微纳米结构的标印单元，并调节飞秒激光的重复频率、单脉冲能量、扫描速度和槽间距，在焦点处对钛合金TC4和镍基合金GH4169进行激光标印研究。激光烧蚀的目的是为了让标印单元有一定的深度，从而在使用期限内不易损坏，提高了标印图案的可靠性和耐久性。而激光诱导是在激光烧蚀的基础上进一步制备抗反射微纳米结构，降低标印图案的反射率，提高标印图案的识别率。本发明的激光标印在满足整体质量的基础上，同时对加工效率和识别率也有了明显的提高：从质量上看，标印单元的熔融物明显减少、粗糙度小、反射率低、一致性较好；从效率上看，携带不同信息不同尺寸标印单元可在几秒钟内完成，并可根据所携带的信息量和实际需要调节标印图案大小；从识别率上看，激光标印可全部被条码设备所识别，具有较高的识别率。
附图说明
图1为本发明光路的示意图。
图2为本发明实施例1初级标印加工参数为重复频率50kHz、单脉冲能量150μJ、扫描速度60mm/s和槽间距15μm，再次标印参数为激光功率850mW，扫描速度50mm/s和槽间距5μm的结果图。
图3为本发明实施例2初级标印加工参数为重复频率50kHz、单脉冲能量150μJ、扫描速度80mm/s和槽间距10μm，再次标印参数为激光功率650mW，扫描速度30mm/s和槽间距10μm的结果图。
图4为本发明实施例2标印单元放大结果图。
图5为本发明实施例3初级标印加工参数为重复频率50kHz、单脉冲能量150μJ、扫描速度70mm/s和槽间距10μm，再次标印参数为激光功率650mW，扫描速度40mm/s和槽间距5μm的结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1，一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，包括以下步骤：
1)采用面积为2×2cm2，厚度为2mm的TC4金属片(钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，含钛(Ti)余量，铁(Fe)≤0.30,碳(C)≤0.10,氮(N)≤0.05,氢(H)≤0.015,氧(O)≤0.20,铝(Al)5.5～6.8,钒(V)3.5～4.5)作为加工对象；
2)搭建光路，如图1所示，飞秒激光器1输出光经过二轴扫描振镜系统2聚焦到剪式升降台3上，所述的飞秒激光器1、二轴扫描振镜系统2和电脑连接；
3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为50kHz，单脉冲能量150μJ；
4)将TC4金属片固定在剪式升降台3加工工位上，通过激光扫槽方式制备标印单元，并通过调节扫描速度60mm/s和槽间距15μm的激光烧蚀参数，完成飞秒激光初级标印；
5)在初级标印的基础上采取再次激光诱导抗反射微纳米结构的方式，调节激光诱导参数为激光功率850mW，扫描速度50mm/s和槽间距5μm，完成飞秒激光烧蚀复合诱导标印。
本实施例的有益效果为：参照图2，本实施例得到的标印单元的熔融物明显减少，粗糙度小，边缘质量和一致性较好；标印单元尺寸设定为500μm，并可根据所携带的信息量和实际需要调节标印大小，而此标印单元可在1.28s内完成，效率高；标印可被条码设备所识别，并且激光诱导材料表面制备的抗反射微纳米结构提高了标印图案的识别率。
实施例2，将实施例1中的激光烧蚀参数设置为扫描速度80mm/s和槽间距10μm，激光诱导参数为激光功率650mW，扫描速度30mm/s和槽间距10μm。
本实施例的有益效果为：参照图3，本实施例得到的标印单元的熔融物明显减少，粗糙度小，边缘质量和一致性较好；标印单元尺寸设定为500μm，并可根据所携带的信息量和实际需要调节标印大小，而此标印单元可在1.15s内完成，效率高；标印可被条码设备所识别。参照图4，图4为图3中标印单元放大结果图，可以看出在其表面诱导出了微纳米级结构，从而降低了标印图案的反射率，有效地提高了标印图案的识别率。
实施例3，将实施例1中的材料选为镍基合金GH4169金属片(镍基合金GH4169材料组成为镍(Ni)≤56.02，铁(Fe)≤20.55，铬(Cr)≤20.22，铌(Nb)≤3.21)作为加工对象，激光烧蚀参数设置为扫描速度70mm/s和槽间距10μm，激光诱导参数为激光功率650mW，扫描速度40mm/s和槽间距5μm。
本实施例的有益效果为：参照图5，本实施例在镍基合金GH4169上激光烧蚀复合诱导制备标印单元，并且取得了与钛合金TC4同样好的整体质量：标印单元的熔融物明显减少，粗糙度小，边缘质量和一致性较好；标印单元尺寸设定为500μm，并可根据所携带的信息量和实际需要调节标印大小，而此标印单元可在1.61s内完成，效率高；标印同样可被条码设备所识别，并且激光诱导材料表面制备的抗反射微纳米结构提高了标印图案的识别率。
Claims (4)
1.一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用钛合金TC4或镍基合金GH4169金属片作为加工对象；
2)搭建光路，飞秒激光器(1)输出光经过二轴扫描振镜系统(2)聚焦到剪式升降台(3)上，所述的飞秒激光器(1)、二轴扫描振镜系统(2)和电脑连接；
3)利用电脑调节飞秒激光器(1)输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为1-200kHz可调，最大单脉冲能量为200μJ；
4)将钛合金TC4或镍基合金GH4169金属片固定在剪式升降台(3)加工工位上，通过激光扫槽方式制备标印单元，调节激光重复频率、单脉冲能量、扫描速度和槽间距，获得激光烧蚀的初级标印的最优基本参数：重复频率50kHz，单脉冲能量150μJ，扫描速度60-80mm/s，槽间距10-15μm；
5)在初级标印的基础上采取再次激光诱导抗反射微纳米结构的方式，调节激光功率、扫描速度和槽间距，获得最优的激光诱导标印的基本参数：激光功率650-850mW；扫描速度30-50mm/s；槽间距：5-10μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，其特征在于：所述的钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，含钛(Ti)余量，铁(Fe)≤0.30，碳(C)≤0.10，氮(N)≤0.05，氢(H)≤0.015，氧(O)≤0.20，铝(Al)5.5～6.8，钒(V)3.5～4.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，其特征在于：所述的镍基合金GH4169材料组成为镍(Ni)≤56.02，铁(Fe)≤20.55，铬(Cr)≤20.22，铌(Nb)≤3.21。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光烧蚀复合诱导制备标印的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用面积为2×2cm2，厚度为2mm的钛合金TC4金属片作为加工对象，钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，含钛(Ti)余量，铁(Fe)≤0.30,碳(C)≤0.10,氮(N)≤0.05,氢(H)≤0.015,氧(O)≤0.20,铝(Al)5.5～6.8,钒(V)3.5～4.5；
2)搭建光路，飞秒激光器(1)输出光经过二轴扫描振镜系统(2)聚焦到剪式升降台(3)上，所述的飞秒激光器(1)、二轴扫描振镜系统(2)和电脑连接；
3)利用电脑调节飞秒激光器(1)输出激光，激光波长为1030nm，脉宽为240fs，重复频率为50kHz，单脉冲能量150μJ；
4)将TC4金属片固定在剪式升降台(3)加工工位上，通过激光扫槽方式制备标印单元，并通过调节扫描速度60mm/s和槽间距15μm的激光烧蚀参数，完成飞秒激光初级标印；
5)在初级标印的基础上采取再次激光诱导抗反射微纳米结构的方式，调节激光诱导参数为激光功率850mW，扫描速度50mm/s和槽间距5μm，完成飞秒激光烧蚀复合诱导标印。
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