CN111230320A - 一种阳极氧化铝表面的激光打标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种阳极氧化铝表面的激光打标方法，包括对阳极氧化铝的表面进行清洁；采用激光系统对阳极氧化铝的表面发射激光光束，以对阳极氧化铝的表面打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料；其中，所述激光系统包括激光发生器和控制系统，所述激光发生器为纳秒激光器或皮秒激光器；所述控制系统用于设置所述激光发生器运行的激光参数，所述激光参数包括场镜焦距、脉冲宽度、功率、重复频率、打标速度及填充密度。本发明技术方案未破坏阳极氧化铝的阻挡层和金属铝，降低了激光对阳极氧化铝表面的破坏力，产品不容易受到环境的腐蚀。

Description

一种阳极氧化铝表面的激光打标方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种阳极氧化铝表面的激光打标方法。
背景技术
阳极氧化铝指的是在铝或铝合金的表面有一层致密的氧化铝，以防铝或铝合金发生氧化。虽然阳极氧化铝的化学性质与自然氧化形成的氧化铝的化学性质相同，但是阳极氧化铝的耐蚀性、耐磨性和装饰性均优于自然氧化形成的氧化铝。
传统的电子产品采用阳极氧化铝的外壳，如手机、平板电脑和笔记本电脑等。现有激光对阳极氧化铝打标通常是有触感的，其过程是通过激光破坏金属表面的阳极层，如此，一方面会导致打标件容易受到环境的腐蚀，另一方面对自身结构较薄的结构而言，这种打标方式还会降低结构的强度，再一方面，由于被打标处凹凸不平，污渍溶剂容易附着，不便于清理，影响用户体验。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种阳极氧化铝表面的激光打标方法，旨在解决阳极氧化铝打标后，产品结构强度降低、表面存在触感和不便清理的问题。
为实现上述目的，本发明提出的阳极氧化铝表面的激光打标方法，该方法包括对阳极氧化铝的表面进行清洁；采用激光系统对阳极氧化铝的表面发射激光光束，以对阳极氧化铝的表面打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料；其中，所述激光系统包括激光发生器和控制系统，所述激光发生器为纳秒激光器或皮秒激光器；所述控制系统用于设置所述激光发生器运行的激光参数，所述激光参数包括场镜焦距、脉冲宽度、功率、重复频率、打标速度及填充密度。
可选地，所述激光发生器包括红外纳秒激光器、和/或红外皮秒激光器、和/或紫外纳秒激光器、和/或紫外皮秒激光器。
可选地，所述场镜焦距为F100至F254。
可选地，所述场镜焦距为F160。
可选地，当所述激光发生器为红外纳秒激光发生器，所述脉冲宽度为3ns至5ns，所述功率为30％至40％，所述重复频率为280kHz至600kHz，所述打标速度为2000mm/s至5000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.01mm。
可选地，当所述激光发生器为红外皮秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ps至15ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为350kHz至500kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
可选地，当所述激光发生器为紫外皮秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ps至20ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
可选地，当所述激光发生器为红外纳秒激光发生器，采用连续激光模式，所述功率为45％至55％，所述重复频率为1000kHz，所述打标速度为1000mm/s至5000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.01mm。
可选地，当所述激光发生器为紫外纳秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ns至15ns，所述功率为20％至40％，所述重复频率为80kHz至120kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
可选地，当所述激光发生器为紫外皮秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ps至20ps，所述功率为15％至25％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
本发明技术方案通过采用纳秒激光器或皮秒激光器对阳极氧化铝进行打标，以对阳极氧化铝的表面进行打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料。纳秒激光器或皮秒激光器发射的纳秒量级或皮秒量级的激光作用于阳极氧化铝表面的氧化膜，未破坏阳极氧化铝的阻挡层和金属铝，一方面，降低了激光对阳极氧化铝表面的破坏力，减轻了产品的受损程度，维持产品原有的结构强度；另一方面，打标后阻挡层依然对金属铝起保护作用，金属铝未暴露，产品不容易受到环境的腐蚀，从而延长的产品寿命，且表面平滑，污渍溶剂不容易附着在打标处，方便用户的清理，提高用户体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明激光标记设备一实施例的结构示意图；
图2为图1中激光系统的剖视图；
图3为金相显微镜下第一组阳极氧化铝表面的结构示意图；
图4为金相显微镜下第二组阳极氧化铝表面的结构示意图；
图5为盐雾测试前后第一组阳极氧化铝表面变化的结构示意图；
图6为盐雾测试前后第二组阳极氧化铝表面变化的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 激光标记设备 220 扩束镜
100 机台 230 振镜
200 激光系统 240 场镜
210 激光发生器 300 激光调节组件
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种阳极氧化铝表面的激光打标方法。
在本发明实施例中，如图1至图2所示，该阳极氧化铝表面的激光打标方法包括对阳极氧化铝的表面进行清洁；采用激光系统200对阳极氧化铝的表面发射激光光束，以对阳极氧化铝的表面打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料；其中，所述激光系统200包括激光发生器210和控制系统(未图示)，所述激光发生器210为纳秒激光器或皮秒激光器；所述控制系统用于设置所述激光发生器210运行的激光参数，所述激光参数包括场镜焦距、脉冲宽度、功率、重复频率、打标速度及填充密度。
铝合金材料是工业产品常用的一种低密度、高强度、易加工的金属材料，在3C产品，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、充电宝等产品的制造中被广泛应用。由于铝材本身极易发生氧化，通常以铝合金基材作为阳极，在一定酸性条件下，施加外电场，在铝材表面通过氧化反应形成氧化膜，经过这种处理的材料表面称为阳极氧化铝，从而提高了铝材表面的耐磨性能和耐腐蚀性能。
该阳极氧化铝包括有里层的金属铝、最外层的氧化膜，以及金属铝和氧化膜之间的阻挡层，阻挡层是由无水的氧化铝所组成，薄而致密，具有较高的硬度和阻止电流通过的作用，进一步对金属铝进行保护，阻挡层的厚度可以是阳极氧化铝厚度的0.5％-2.0％。
氧化膜具有多孔的结构，主要是由非晶型的氧化铝及小量的水合氧化铝所组成。氧化膜的种类有多种，可以是硫酸阳极氧化膜、铬酸盐阳极氧化膜、草酸阳极氧化膜或硬质阳极氧化膜，优选为硫酸阳极氧化膜。为了避免阻挡层被激光破坏，氧化膜的厚度可以为5-20μm，进一步地，兼顾激光打标效果和效率，提高良品率，氧化膜的厚度可以为10-15μm。也有对阳极氧化铝表面进行喷砂或表面拉丝处理，喷砂的粗细度会影响打标效果，喷砂颗粒越细，打标效果越好。
具体而言，对阳极氧化铝的表面进行清洁，可以包括用无纺布将阳极氧化铝的表面擦拭干净，也可以用去离子水或酒精进行擦拭，尤其是需要打标的部位，去除表面的粉尘或油污等。
如图1所示，采用激光标记设备对阳极氧化铝进行打标，激光标记设备包括机台100，机台100具有台面，台面上安装有激光调节组件300，激光系统200设置于激光调节组件300上。激光调节组件300能够调节激光系统200的升降和水平位置，以调整激光发生器210与产品的距离，保证激光标记设备打标的精度。
如图2所示，激光系统200包括激光发生器210、控制系统、扩束镜220、振镜230和聚焦镜，激光发生器210为纳秒激光器或皮秒激光器，控制系统用于设置激光发生器210运行的激光参数，激光发生器210按照激光参数发射出的激光光束，激光光束依序经扩束镜220扩束、振镜230改变激光光束的方向以及聚焦镜的聚焦后，到达阳极氧化铝的表面，并作用于表面的氧化膜。
该激光系统200还可以包括扩束镜220、振镜230和聚焦镜(未图示)，所述扩束镜220用于扩大所述激光光束的直径；所述振镜230用于偏转所述激光光束；所述聚焦镜用于将所述激光光束聚焦于所述阳极氧化铝表面，所述激光发生器210发射出的激光光束依次经所述扩束镜220、所述振镜230以及所述聚焦镜到达阳极氧化铝。
当对阳极氧化铝的表面打黑时，阳极氧化铝吸收光能转化为热能，经氧化向内部金属铝基材传递，金属铝的熔点远低于氧化膜，在极短时间内金属铝熔化并再次凝固，在基材与氧化膜之间的界面产生了很多微孔，氧化膜受热膨胀开裂，由于激光处理后使得氧化膜部分粒子大小为纳米级别，吸光性能加大，从而使得可见光照射到物质从而被吸收，反射出来的可见光很少，从而肉眼观察为黑色。需要说明的是，这里所说的黑色为相对黑色，也可以是肉眼观察的灰色，均为本方案所说的打黑。
当需去除阳极氧化铝表面的染料时，利用激光高能量聚焦能量让染料耐光牢度下降，染料分子吸收的能量一是部分转成无害的热，另一部分使染料分子跃迁成激发状态，导致发色体系变化或破坏化学反应，降低染料分子的依附能量，从而使染料分子出现光氧化和光还原反应形成表面退色。
为说明采用本激光打标方法可以降低对阳极氧化铝表面的破坏力，特进行了一系列对比试验。第一组实验是采用本激光打标方法，第二组实验室采用传统的激光打标方法，对两组阳极氧化铝表面打标处进行触摸，第一组阳极氧化铝打标处平滑，无触感；第二组阳极氧化铝打标处粗糙，触感明显。并采用金相显微镜分别观察两组阳极氧化铝表面情况，进行对比，如图3至图4所示，发现第一组阳极氧化铝表面形成有微裂纹形貌，圆滑平整；第二组阳极氧化铝表面凹凸不平，毛躁突兀。
进一步地，检测了实验前后阳极氧化铝的氧化膜厚度，具体数据如下：
Figure BDA0002413094040000061
通过数据对比，可以看出打标后，第一组的氧化膜厚度略微减小，而第二组的氧化膜厚度减小较大。
再进一步地，对实验前后阳极氧化铝进行盐雾测试，观察氧化镁的情况。实验结果如图5至图6所示，第一组盐雾试验后外观几乎没有区别，但是黑度由于腐蚀的原因有一定的变化，氧化膜被破坏很小；第二组在盐雾试验后出现区域性的异色，产生了孔蚀，说明氧化膜失去一定程度的保护。综上，可以得出本激光打标方法降低了激光对阳极氧化铝表面的破坏力以及打标后阻挡层依然对金属铝起保护作用的结论。
本发明技术方案通过采用纳秒激光器或皮秒激光器对阳极氧化铝进行打标，以对阳极氧化铝的表面进行打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料。纳秒激光器或皮秒激光器发射的纳秒量级或皮秒量级的激光作用于阳极氧化铝表面的氧化膜，未破坏阳极氧化铝的阻挡层和金属铝，一方面，降低了激光对阳极氧化铝表面的破坏力，减轻了产品的受损程度，维持产品原有的结构强度；另一方面，打标后阻挡层依然对金属铝起保护作用，金属铝未暴露，产品不容易受到环境的腐蚀，从而延长的产品寿命，且表面平滑，污渍溶剂不容易附着在打标处，方便用户的清理，提高用户体验。
在一实施例中，所述激光发生器210包括红外纳秒激光器、和/或红外皮秒激光器、和/或紫外纳秒激光器、和/或紫外皮秒激光器。
激光发生器210的种类有多种，有红外激光器，有紫外激光器，也有X光激光器。为了确保激光打标效率，激光发生器210可以选用红外激光器或紫外激光器，即可以是红外纳秒激光器、红外皮秒激光器、紫外纳秒激光器或紫外皮秒激光器。可以理解的是，在本技术方案中，激光发生器210可以是一种，也可以是两种或两种以上。
激光参数包括有场镜焦距，场镜240可以改变激光成像光束位置，场镜焦距与工作距离有一定关系，激光光束聚焦的光斑大小与选择的场镜焦距有关，场镜焦距小，聚焦光斑越小，能量越集中，作用在纳米级别的氧化膜上，能产生更细微的微裂纹形貌从而造成宏观上的颜色更黑。在一实施例中，所述场镜焦距为F100至F254。
在上述实施例的基础上，一实施例中，所述场镜焦距为F160。
为了确保激光的打标效果，实现对阳极氧化铝的表面打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料，场镜焦距选择F160，获得较小的聚焦光斑，在氧化膜表面产生更细微的微裂纹形貌，减小对氧化膜的破坏。
激光参数还包括有脉冲宽度、功率、重复频率、打标速度及填充密度，不同的参数大小对激光打标效果不同。脉冲宽度是指激光单个脉冲持续的时间，由于激光主要体现为热能，其脉冲宽度越小，所述激光的持续时间越短、峰值功率越高，氧化膜结构容易得到保护，有利于处理极薄膜结构阳极氧化铝材料；反之，脉冲宽度越大，激光的持续时间越长、峰值功率越低，容易直接破坏表层氧化膜结构，无法形成微裂纹形貌。功率是指激光发生器210发出的激光光束能量大小，能量过大，很容易破坏氧化膜结构；过小则无法达到激光加工条件，材料无反应；实际中激光能量并非单一受百分比条件设置影响，它还和脉冲宽度、重复频率、场镜240等条件的选择有关。
重复频率是指激光发生器210每秒发出的脉冲数，在单位时间内，重复频率越高，单个脉冲的能量越小，激光的破坏力也越小，相反重复频率越低，单个脉冲的能量越大，激光的破坏力也越大。打标速度影响激光光束的工作时间，打标速度越快，激光脉冲停留的时间越短。此时，速度频率比例大，区域性脉冲点密集度小，激光能量不能有效的覆盖标记区域，对宏观上的颜色有影响；速度频率比例小，对打标效果有改善，但是降低了打标加工效率。
由于激光打标是线扫描方式，即用激光脉冲组成线，多条线往同一个方向按照一定的间距叠加，达到激光完全覆盖打标的效果，填充密度过大时，影响打标加工效率；填充密度过小时，会遗漏而影响打标效果。由此可见，激光打标的效果并非仅受单一参数的影响，脉冲宽度、功率、重复频率、打标速度及填充密度均对激光打标效果产生影响。
阳极氧化铝表面打黑处理是通过聚焦后高能量密度的激光，在很短的时间内将阳极氧化铝的氧化膜进一步氧化并改变表面材料。对阳极氧化铝的表面打黑处理，可以采用红外纳秒激光发生器210、红外皮秒激光发生器210或紫外皮秒激光发生器210。由于红外激光器较紫外激光器的成本低，优选红外激光器对阳极氧化铝表面打黑处理。
在一实施例中，所述激光发生器210为红外纳秒激光发生器210，所述脉冲宽度为3ns至5ns，所述功率为30％至40％，所述重复频率为280kHz至600kHz，所述打标速度为2000mm/s至5000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.01mm。在一较优的实施例中，所述激光发生器210为红外纳秒激光发生器210，所述脉冲宽度为3ns至4ns，所述功率为30％至40％，所述重复频率为280kHz至350kHz，所述打标速度为2000mm/s，所述填充密度为0.005mm。
当所述激光发生器210为红外皮秒激光发生器210时，所述脉冲宽度为10ps至15ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为350kHz至500kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。在一较优的实施例中，所述激光发生器210为红外皮秒激光发生器210时，所述脉冲宽度为15ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为350kHz至500kHz，所述打标速度为1000mm/s，所述填充密度为0.01mm。
在一实施例中，所述激光发生器210为紫外皮秒激光发生器210，所述脉冲宽度为10ps至20ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。在一较优的实施例中，所述激光发生器210为紫外皮秒激光发生器210，所述脉冲宽度为10ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s，所述填充密度为0.01mm。
氧化膜的着色的方法通常有化学着色、电解着色和自然着色等，去除阳极氧化铝表面的染料的原理是通过染料分子吸收激光的能量，致使发色体系发生变化甚至破坏，从而降低染料分子的依附能量，达到退色的目的。去除阳极氧化铝表面染料的处理，可以采用紫外纳秒激光发生器210、紫外皮秒激光发生器210或红外纳秒激光发生器210。虽然红外激光器较紫外激光器的成本低，为了获得更好的退色效果，优选紫外激光器对阳极氧化铝表面染料退色处理。
在一实施例中，所述激光发生器210采用紫外纳秒激光发生器210，所述脉冲宽度为10ns至15ns，所述功率为20％至40％，所述重复频率为80kHz至120kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。在一较佳实施例中，所述脉冲宽度为12ns，所述功率为25％至35％，所述重复频率为80kHz至120kHz，所述打标速度为2000mm/s，所述填充密度为0.005mm。
当所述激光发生器210为紫外皮秒激光发生器210，所述脉冲宽度为10ps至20ps，所述功率为15％至25％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。在一较佳实施例中，所述脉冲宽度为10ps，所述功率为18％至25％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s，所述填充密度为0.01mm。
在一实施例中，所述激光发生器210为红外纳秒激光发生器210，采用连续激光模式，所述功率为45％至55％，所述重复频率为1000kHz，所述打标速度为1000mm/s至5000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.01mm。在一较佳实施例中，所述激光发生器210为红外纳秒激光发生器210，采用连续激光模式，所述功率为45％至55％，所述重复频率为1000kHz，所述打标速度为1000mm/s，所述填充密度为0.005mm。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，包括：
对阳极氧化铝的表面进行清洁；
采用激光系统对阳极氧化铝的表面发射激光光束，以对阳极氧化铝的表面打黑或者去除阳极氧化铝表面的染料；
其中，所述激光系统包括激光发生器和控制系统，所述激光发生器为纳秒激光器或皮秒激光器；所述控制系统用于设置所述激光发生器运行的激光参数，所述激光参数包括场镜焦距、脉冲宽度、功率、重复频率、打标速度及填充密度。
2.如权利要求1所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，所述激光发生器包括红外纳秒激光器、和/或红外皮秒激光器、和/或紫外纳秒激光器、和/或紫外皮秒激光器。
3.如权利要求2所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，所述场镜焦距为F100至F254。
4.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，所述场镜焦距为F160。
5.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，当所述激光发生器为红外纳秒激光发生器，所述脉冲宽度为3ns至5ns，所述功率为30％至40％，所述重复频率为280kHz至600kHz，所述打标速度为2000mm/s至5000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.01mm。
6.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，当所述激光发生器为红外皮秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ps至15ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为350kHz至500kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
7.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，当所述激光发生器为紫外皮秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ps至20ps，所述功率为25％至35％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
8.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，当所述激光发生器为红外纳秒激光发生器，采用连续激光模式，所述功率为45％至55％，所述重复频率为1000kHz，所述打标速度为1000mm/s至5000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.01mm。
9.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，当所述激光发生器为紫外纳秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ns至15ns，所述功率为20％至40％，所述重复频率为80kHz至120kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
10.如权利要求3所述的阳极氧化铝表面的激光打标方法，其特征在于，当所述激光发生器为紫外皮秒激光发生器，所述脉冲宽度为10ps至20ps，所述功率为15％至25％，所述重复频率为250kHz至350kHz，所述打标速度为1000mm/s至3000mm/s，所述填充密度为0.005mm至0.05mm。
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