TWI519374B - 用於可靠地雷射標記物品之方法及設備 - Google Patents

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Description

用於可靠地雷射標記物品之方法及設備
本發明是有關於雷射標記金屬物品。尤其，本發明是關於藉由雷射處理系統以對不鏽鋼進行標記。更特別地，本發明是有關藉由雷射處理系統以耐固且商業所需的方式對不鏽鋼進行標記。特定而言，本發明是有關於將紅外線波長微微秒雷射脈衝與不鏽鋼表面之間的互動予以特徵化，藉此識別出能夠可靠地且可重複地產生具有所欲光學密度之耐固標記的雷射參數。
產品標記通常需針對商業性、法規性、美容性或功能性目的以在該產品上進行一些類型的標記處理。對於這種標記處理的所欲屬性包含外觀一致性、耐固性以及應用上的簡便性。外觀是指足供可靠地且可重複地製成具有所選定形狀、色彩和光學密度之標記的能力。耐固性為即使該經標記表面出現磨損亦能維持不變的品質。應用簡便性是指標記製作在材料、時間及資源方面的成本，包含可程式設計能力。可程式設計能力是指可藉由改變軟體，不同於改變像是網版或遮罩的硬體，俾依待予標記之新樣式以程式設計該標記裝置的能力。
堅硬並且擁有耐固表面完工處理的不鏽鋼在工業和商業貨品方面具有許多應用項目。像這些許多由金屬所製造的物品都需要永久、可見、滿足商業需求的標記。不鏽鋼即為其一具備此等需求的示範性材料。像是不鏽鋼具有抗鏽蝕性的金屬即可按這種方式標記。藉助由雷射處理系統所產生的雷射脈衝來標記不鏽鋼確能按可程式化之方式以每個標記極低的成本來快速地製作耐固標記。
文獻中既已提出可藉由雷射脈衝以在不鏽鋼的表面上產生色彩變化。一種既經陳述以解釋金屬表面之光學密度或色彩上的變化之機制即為建立雷射誘發週期性表面結構(LIPSS)。A. Y. Vorobyev及Chunlei Guo在Applied Physics Letters 92，(041914)2008第41914-1至141914-3頁的「Colorizing metals with femtosecond laser pulses」乙文描述可利用飛秒雷射脈衝以在金屬上產生的各種色彩。該文描述在金屬上製作出黑或灰色標記，並且在金屬上產生黃金色澤。文中亦述及一些其他色彩，然並未提出進一步說明。LIPSS為對於在金屬表面上建立標記所提供的唯一解釋。此外亦僅教示或建議以具有65飛秒之時間脈衝寬度的雷射脈衝來產生這些結構。
兩篇文章討論到利用微微秒雷射脈衝以在半導體材料及金屬上產生表面變化。「SURFACE RIPPLES ON SILICON AND GALLIUM ARSENIDE UNDER PICOSECOND LASER ILLUMINATION」，作者為P.M. Fauchet和A.E. Siegman，Appl. Phys. Lett. 40(9)，1982年5月1日，第824-826頁；以及「GRADUAL SURFACE TRANSITIONS ON SEMICONDUCTORS INDUCED BY MULTIPLE PICO-SECOND LASER PULSES」，作者為P. M. Fauchet，Physics Letters，Vol. 93A，No. 3，1983年1月3日，兩者皆詳細說明當令半導體及金屬表面承受於紅外線與可見波長微微秒雷射脈衝時出現在其上的變化。該等文章雖描述波紋是如何地形成於這些材料的表面上，但並未對該材料之外觀是如何因雷射互動的結果而改變加以討論。
另一項有關於在不鏽鋼中可靠地且可重複地產生具有所欲色彩及光學密度之標記的問題是在於為藉由隨可獲用之奈秒脈衝寬度固態雷射以產生非常暗黑標記所需要的能量確足以對該金屬造成損傷，然此為非所樂見的結果。「暗黑」或「明亮」或色彩名稱乃相對性辭彙。一種色彩量化的標準方法可參照於CIE比色系統。此項系統可如2000年10月16-20日加拿大溫哥華IS&T NIP16會議Ohno,Y.的「CIE Fundamentals for Color Measurements」乙文第540-545頁所述。在這個測量系統中，為達到商業所冀求的黑色標記會需要在該CIE色度圖上小於或等於L*=20，a*=+/-2以及b*=+/-2的參數。而這會導致具有非可見灰度或色彩的中性彩化黑色標記。
所欲者，然並未由業界所揭示者，即為一種能夠在不鏽鋼上製作商業所冀求之黑色標記然無須昂貴飛秒雷射或燒蝕該金屬表面的可靠且可重複方法。同時，所需要者為一種能夠利用較低成本雷射以可靠地且可重複地在不鏽鋼上產生具有所欲光學密度之標記而不致對該表面造成非所樂見損傷或是在陽極化之前需先進行清潔處理的方法。
本發明之一具體實施例可利用雷射標記系統以在一不鏽鋼樣品上產生具有所欲性質的標記。該雷射標記系統配備有一可產生雷射脈衝的雷射，而該等脈衝具有可控制雷射能量密度(laser fluence)及雷射光束定位，並因此該樣品所受曝之雷射劑量，的雷射脈衝參數。與針對一特定樣品之最佳標記範圍相關聯的雷射參數是在該雷射處理系統中所決定並儲存於其內。接著，該系統係經導引以利用所存雷射脈衝參數藉由導引雷射脈衝撞擊該樣品以令該樣品受曝於該最佳標記範圍內的雷射劑量來標記該樣品，並藉此對該樣品標記以商業所欲標記。
為根據本發明之目的藉由該等和其他特點以達到前述事項，即如本揭中所具體實作且廣泛描述者，茲揭示一種用以在不鏽鋼樣品上產生具有所欲商業品質之可見標記的方法，以及經調適俾執行該方法的設備。其中包含一雷射處理系統，此系統具有雷射、雷射光學元件以及移動階台，且所有該等皆運作連接於一具有經儲存、預定之雷射脈衝參數的控制器。與該所欲色彩及光學密度標記相關聯的所存雷射脈衝參數係經選定，如此導引該雷射標記系統以產生雷射脈衝，令該不鏽鋼樣品曝出於與該所欲色彩及光學密度相關聯的雷射劑量，並藉此產生具有商業所欲之性質的標記。
本發明之一具體實施例為對不鏽鋼物品標記以具有商業所欲之色彩及光學密度的耐固、可見標記。這可藉由利用微微秒雷射脈衝所達成，此等脈衝具有預定以令該待予標記之區域受曝於位在既經決定俾產生具有所欲商業性質之標記的範圍內之雷射劑量的雷射參數。微微秒雷射脈衝是藉由改變表面的性質以產生商業所欲標記，然不致對該表面造成顯著損傷或增附材料，藉以使得該標記具有耐固性。耐固、商業所欲標記是藉由控制產生並導引微微秒雷射脈衝的雷射參數以建構在不鏽鋼上。本發明之一具體實施例是一種經調適以按可程式化的方式產生具有適當參數之雷射脈衝的雷射投影系統。可予選定以改善不鏽鋼雷射標記之可靠度及可重複性的示範性雷射脈衝參數包含雷射類型、波長、脈衝時段長度、脈衝重複率(pulse repletion rate)、脈衝數量、脈衝能量、脈衝時間形狀、脈衝空間形狀、焦點大小和焦點形狀。其他的雷射脈衝參數包含標定焦點相對於該物品表面的位置，並且尤其是協調於雷射脈衝重複速率與計時以導引雷射脈衝相對於該物品的相對移動，藉此決定在接續脈衝之間的間隔(咬蝕大小)以及在雷射脈衝的平行橫列之間的間隔(間距)。
雷射脈衝參數係經選定俾控制遞送至待予標記之物品的表面上之總雷射輻射劑量。在不鏽鋼上產生具有商業所欲性質的雷射標記是根據此總雷射輻射劑量曝出而定。雷射輻射劑量係經定義為經遞送至該待予標記之物品的表面而依焦耳所測量之雷射輻射的總量值。單一雷射脈衝中所含能量的測量相當直觀，因為就是對單一脈衝按Joules/cm2之雷射能量密度的計算。基於與在各點處需要多個重疊雷射脈衝之典型標記法則相關聯的複雜幾何性之故，因此要直接地測量或計算雷射劑量極為困難。雷射輻射為雷射脈衝能量密度，以及包含像是照點大小、焦距、雷射光數定位、咬蝕大小和間距在內之性質的雷射脈衝幾何性，的函數。注量與幾何性兩者都會對雷射劑量造成影響。更改這些參數可改變雷射輻射的劑量，觸抵該工件表面上的一給定位置並藉以改變該標記的外觀。由於藉由咬蝕大小以及小於該工件上之照點大小半徑的間距之重疊所產生的複雜幾何性，因此要在真實情況下測量或計算遞送至工件的實際劑量並非易事。對於一組給定雷射光束定位參數，雷射劑量是正比於雷射能量密度。為此理由，因瞭解到其結果為正比性，故而雷射曝出通常是按照雷射能量密度，然非劑量，所討論。一般說來，為決定應予使用的有效雷射曝出，可選定開始雷射能量密度以及一組雷射定位參數，然後再藉由改變該等與速度、咬蝕大小、間距和焦點在該工件上方之高度相關聯的參數按照實驗方式來決定正確的劑量，俾決定對於一給定不鏽鋼樣本所應使用的最佳雷射參數。倘若並未尋得一組合理的雷射定位參數足供獲致所欲標記，則調整該雷射能量密度並且重複進行實驗。
本發明之具體實施例可藉由光學密度來暗化該不鏽鋼之表面以供產生耐固、商業所欲的標記，此光學密度具有依據所運用之特定雷射脈衝參數而定自近似無法以肉眼觀知至黑色的範圍。雷射脈衝參數係經決定以提供特定的雷射劑量範圍，此等劑量係大於為以在該表面內產生變化的門檻值，然小於產生大型波紋或損傷的門檻值。令不鏽鋼受曝於位在此最佳標記範圍內的雷射劑量可藉由在不鏽鋼表面上之現存顆粒邊界內建構出微小、高頻率波紋以產生均勻、暗黑、商業所欲的標記。令不鏽鋼受曝於超過該最佳標記範圍的雷射劑量會在相對於該等較高頻率波紋的直角處產生較大、較低頻率波紋，即如參考文獻中所述者，而如此將會抹除顆粒邊界並且產生繞射效應。根據本發明之特點所建構的雷射標記可如高頻率波紋及連續出現的顆粒邊界所表述，其中可能開始構成一些較低頻率波紋，但並非足夠地良好組織化而致去除該等顆粒邊界。
本發明的具體實施例可在不鏽鋼上進行標記處理。本揭實驗所使用的不鏽鋼為SAE類型304-O等級並且以高度拋光完工處理所完工，這傾向於去除與初始完工步驟相關聯的粗礫，而同時留下具有高度反射性的表面。假設與雷射定位相關聯的因素保持為固定，則該雷射能量密度F可如下式所定義：
F=E/a，
其中E為按焦耳的雷射脈衝能量，並且a為該照點大小在該基板上按平方公分為單位的面積，而該注量必須位於適當範圍內藉以在該不鏽鋼表面內產生所欲變化。為令該注量F能夠位於該最佳標記範圍內，就必須滿足Fu<F<Fr<Fs的關係，其中Fu為該不鏽鋼基板的雷射修改門檻值，其中小型、高度頻率波紋開始在該表面上的顆粒邊界內構成；Fr為大型、低頻率波紋開始構成並且抹除顆粒邊界的門檻值；同時Fs為該表面層中材料開始自該表面上燒蝕的損傷門檻值。Fu、Fr及Fs既已按實驗方式所獲得並且代表所選定雷射的注量，此時該基板表面層開始顯示出被該雷射能量(Fu)修改的跡象，其中該基板表面層被組織化為大型波紋，而如此會去除顆粒邊界(Fr)，並且干擾到該標記的損傷開始出現(Fs)。對於10微微秒(ps)的IR脈衝，就以不鏽鋼而言，Fu的示範性數值約為47mJ/cm2，Fr約為62mJ/cm2並且Fs約為73mJ/cm2。利用位於該最佳標記範圍之內的注量將能按一些如表1所列述之範圍內的速度、咬蝕大小和間距來產生商業所欲標記。
根據本發明之具體實施例在上述注量範圍內的不鏽鋼標記顯視為金屬顆粒的函數。顆粒邊界分隔該金屬之表面上其中晶體結構概為均質性的區域。現已知在此注量範圍內的雷射/材料互動顯示出對於極化性的相關性。然可觀察到金屬晶體或顆粒之間的先前未予說明互動，其中在顆粒邊界內所產生的小型波紋似乎顯示出對於顆粒邊界內的顆粒方向與極化性間之關係的相關性，而部分的顆粒範圍比起其他範圍較容易受到雷射輻射的影響。
本發明之一具體實施例是利用經調適雷射投影系統以標記不鏽鋼物品。一種可予調適以標記不鏽鋼物品之示範性雷射投影系統即為由美國奧勒岡州波特蘭市(97229)的Electro Scientific Industries,Inc.公司所製造的ESI Model MM5330雷射微加工系統。根據美國奧勒岡州波特蘭市(97229)的Electro Scientific Industries,Inc.公司於2007年5月「Model 5330服務指南」，文件編號147250-01a，所載述的規格，茲將該文件依參考方式併入本案，此系統是一種運用各種二極體浦汲之Q切換固態雷射的雷射微加工系統，且依355nm UV波長按90KHz脈衝重複速率平均功率可達11W。此雷射可經調適以產生具有約1ps至1000ps，最好是1ps至250ps之間，或者是以10ps至100ps之間為佳，時段長度的雷射脈衝。其雷射功率的範圍可為自約1W至約100W，最好是約1W至50W，並且以5W至25W之間為佳。這些雷射運作於約1KHz至約100MHz之間，最好是約1KHz至約1MHz之間，或者以約10KHz至100MHz之間為佳，的重複速率。該經調適雷射系統可導引雷射光束以相對於該樣品按自約1mm/s至約1m/s之範圍，最好是約50mm/s至約500mm/s之間，且以約100mm/s至約400mm/s之間，的速度移動。在該樣品表面上後續雷射脈衝之間的咬蝕大小或間隔可為自約1微米至約1mm之範圍，最好是約1微米至約500微米之間，且以約1微米至約100微米之間為佳。該系統通常是按約1微米至約1mm之間，或最好是約1微米至約500微米之間，且以約1微米至約100微米之間為佳，的相鄰雷射脈衝位置線間之間距或距離所運作。該系統係經組態設定以聚焦該等雷射脈衝俾縮至約10微米至約500微米之間，最好是約50微米至約250微米之間，且約100微米至約200微米之間為佳，的最小焦點大小。該系統係經組態設定以發射具有約0.01J/cm2至約100J/cm2間，最好是約0.1J/cm2至約25J/cm2之間，且以0.1J/cm2至約10J/cm2之間為佳，的能量密度之雷射脈衝。該系統亦可經組態設定以發射第二階諧波倍化532nm波長脈衝或第三階諧波355nm波長脈衝。此系統可藉由應用適當的雷射、雷射光學元件、零件處置設備及控制軟體所調適以根據本揭方法在不鏽鋼表面上可靠地且可重複地產生標記。這些調適作業可使得該雷射投影系統能夠依所欲速率和間距將具有適當雷射參數的雷射脈衝導引至經適當定位且固定之不鏽鋼物品上的所欲位置處以供產生具備所欲色彩與光學密度的所欲標記。本發明之一具體實施例包含進行讓該雷射投影系統能夠導引具有表1所列雷射參數之雷射脈衝的調適作業。這種經調適系統的圖表可如圖1a及b所示。
圖1a顯示經調適以進行物品標記之經調適ESI Model MM5330雷射微加工系統2的圖式，即如本發明之一具體實施例。該等調適可包含雷射映鏡及功率衰減器4；雷射光束導向光學元件6及雷射場域光學元件8，此等係經調適以處置本具體實施例的雷射波長、功率和光束大小；夾具10，此者係經調適以固定不鏽鋼樣品；控制器12，此者係經調適以儲存並導引該系統以根據表1內的規格發射雷射脈衝；Y階台14、X階台18及Z階台(光學元件階台)20，此等係經調適以根據表1內的規格相對於該雷射光束焦點移動該經固定不鏽鋼樣品；以及相機22和觀看光學元件24，此等係經調適以對準並檢視該不鏽鋼樣品。
圖1b顯示經調適ESI Model MM5330雷射微加工系統2的另一視圖，其中包含雷射聯鎖控制器26，此者可控制該等聯鎖感測器(未予圖示)的操作，而該等感測器能夠在當開啟該系統的各種面板時防止雷射的操作、控制器28、雷射電力供應器30、雷射光束校準器32、雷射光束光學元件34以及雷射映鏡36，所有該等皆經調適以運作於該經調適雷射38，此雷射為由德國Kaiserslautem之Lumera Laser GmbH公司所製造的型號Rapid且運作於1064nm波長之二極體浦汲Nd:YV04固態雷射。該雷射38係經組態設定以按2MHz脈衝重複速率而產出達6W。該雷射38可併同於該等控制器28及雷射電力供應器30以產生具有1至1,000微微秒時段長度的雷射脈衝。這些雷射脈衝可為高斯式，或是由該雷射光束學元件34予以特殊塑形。該雷射光學元件34可併同於該控制器28、該雷射光束導向光學元件6及該雷射場域光學元件8以協同地導引雷射脈衝，藉此在由該夾具10所固定的不鏽鋼樣品(未予圖示)上構成雷射照點。該等移動控制構件Y階台14、X階台18、Z階台(光學元件階台)20以及該雷射光束導向光學元件6可合併運作以提供複合的光束定位能力，其一特點即在於當該樣品相對於該雷射光束連續地移動時，能夠相對於該樣品進行雷射光束定位。此項能力可如1998年5月12日所核發且發明人為Donald R. Cutler、Robert M. Pailthorp和Mark A. Unrath的美國專利第5,751,585號案文所述，該案係經受讓予本發明所有權人並且將其依參考方式併入本案。複合式光束定位包含，當該樣品正相對於雷射光束移動時，藉由令該控制器28導引該等移動控制構件，亦即Y階台14、X階台18、Z階台20，的一些局部以及該雷射光束導向光學元件6來補償由該等移動控制構件之其他局部所引生的連續相對移動，藉此在該樣品上進行形狀標記作業的能力。
該等雷射脈衝(未予圖示)亦可協同於該控制器28以由該雷射光束光學元件34所塑形。該雷射光束光學元件34導引該等雷射脈衝的空間形狀，這可為高斯性或經特殊塑形。例如可運用「禮帽」式的空間廓型，如此將能遞送在撞擊到該待予標記物品之整個照點區域上具有均勻注量分佈的雷射脈衝。經特殊塑形的空間廓型，像是前述者，可為利用繞射光學構件或是其他光學構件所產生。雷射照點大小是指雷射光束之焦點的尺寸。由於可將焦點定位在該表面的上方或下方處，因此所予標記之樣品的表面上之實際照點大小有所差異。此外，該等雷射光束光學元件34、雷射光束導向光學元件6、雷射場域光學元件8及Z階台(光學元件階台)20可協同運作以控制該雷射照點的景深，或者是當該樣品上的交會點移離於該焦點平面時該照點應多快速地離出焦點。藉由控制景深，該控制器28可導引該等雷射光束光學元件34、雷射光束導向光學元件6、雷射場域光學元件8及Z階台(光學元件階台)20，藉以按高精準度方式將該雷射照點定位在該樣品的表面處或附近。藉由將該焦點定位於該物品之表面的上方或下方來製作標記可讓該雷射光束能夠依一標定量值所去焦，同時可藉以擴大由該雷射脈衝所照射的面積且降低該表面處的注量。由於該光束腰部的幾何性為已知，因此將該焦點精準地定位於該物品之實際表面的上方或下方將能提供在照點大小及注量方面的額外精準控制。既已發現藉由焦點定位來更改雷射照點幾何性以改變雷射能量密度，且併同於運用產生1至1,000微微秒範圍內之雷射脈衝寬度的微微秒雷射，是一種足供在不鏽鋼上可靠地且可重複地產生標記的方式。利用微微秒雷射的一項優點是在於，相較於先前技藝飛秒雷射，該等的成本非常低廉、需要遠少的維護作業，並且通常具有遠長的操作壽命。
圖2a到2f為在不鏽鋼上根據本發明之一具體實施例所產生的雷射標記之掃描電子顯微圖。圖2a-2f是表示按自47mJ/cm2至62mJ/cm2範圍之注量所構成的雷射標記。在本例中，注量是藉由變更位在該工件上方之焦點的高度所改變。改變該焦點相對於該工件之表面的高度會使得雷射光束顯似為在該表面處去焦，藉此在較大面積上展開該雷射能量並且降低該表面處的有效注量。改變位於該表面上方或下方處之焦點的高度是一種在本發明具體實施例所欲之範圍上進行雷射能量密度調整的快速、可靠且精準方式。其他改變注量的方法包含改變脈衝時段長度、改變雷射功率、改變雷射光束相對於工件的移動速度、改變重複速率或是咬蝕大小。改變該注量，或最後會改變經遞送至該樣品表面之劑量，的雷射參數變化將會改變所獲標記的外觀。
圖2a至2f顯示藉由將該焦點高度按0.1mm步階方式從該所予標記之物品的表面上方約5.5mm處向下改變至該物品之表面上方約4.5mm處所產生的標記。圖2a顯示一依表1所示之雷射參數而標記的不鏽鋼物品40，其雷射照點的高度是設定在該工件上方的5.2mm處。此影像顯示一既已按高空間頻率波紋42所標記的區域，且連同一未經標記的區域44。在此清晰地顯示出一位於該不鏽鋼表面上之顆粒區域或晶體間的邊界46。該等顆粒邊界46為具有不同指向之顆粒區域相會合的介面。該疊置刻度48顯示該等波紋具有約10mm的週期並且循行於該等顆粒邊界46。圖2b顯示該相同物品的另一局部50，此局部隨後以相同的雷射參數所標記，除位於該待予標記物品上方之雷射照點高度降低成5.0mm以外。圖2b顯示週期約為10nm的高頻率波紋52，即如嵌入刻度54所示者。由於較高注量之故，因此該等波紋在該物品的曝出局部上會更為均勻地展開。注意到顆粒邊界56仍為清晰可見。
圖2c顯示一根據本發明之具體實施例所標記的物品之另一SEM影像。此物品60是利用表1所列的雷射參數所標記，雷射照點則設定在該物品上方的4.8mm處。可明顯地觀察到週期約為10nm的高頻率波紋62，即如刻度64所示者。此影像中可見一顆粒邊界66。圖2d顯示另一項經標記的不鏽鋼物品70，此者係根據表1所列的雷射參數而標記，且雷射焦照是設定在該物品表面上方的4.6mm處。具有週期約10nm的高頻率波紋72會覆蓋整個所標記區域，除開始為約60-70nm之空間週期的較大波紋78以外，即如刻度74所表示者。注意到顆粒邊界76持續出現，並且大型波紋的方向是與該高頻率波紋的方向相垂直。表1所列之雷射參數以及位在不鏽鋼物品表面上方之2.5mm雷射照點高度可在整個寬廣視角上按等於或小於約L*=20、a*=+/-2且b*=+/-2的光學密度產生擁有均勻外觀的商業所欲標記，同時是代表用以標記根據本發明具體實施例之特定不鏽鋼樣品的最佳雷射參數。本發明的具體實施例決定並利用特定雷射參數，這些參數可產生相對小型、高頻率波紋而保留不鏽鋼的顆粒結構，同時可將垂直於該等小型、高頻率波紋所形成且抹除該金屬表面之顆粒結構的較大、較低頻率波紋之產生情況降至最低。利用這些雷射參數以標記不鏽鋼可產獲具有商業所欲外觀並且低於約L*=20、a*=+/-2及b*=+/-2，即如依CIE色度圖所測量者，之光學密度的均勻黑色標記。
圖2e顯示藉由表1所列之雷射參數以及該不鏽鋼物品80表面上方4.3mm處之雷射照點高度而根據本發明具體實施例所標記的不鏽鋼物品。此影像顯示在該等標記上提高注量的效果。按此注量水準會形成具有約800nm週期的較大波紋82，即如刻度84所示者。該等較大波紋82顯見為構成於該等較高頻率波紋42、52、62的直角處，並且具有高於該等較高頻率波紋42、52、62近乎10倍的空間週期。
圖2f顯示既經受曝於具有如表1所列雷射參數而焦點高度為該表面上方4mm之雷射脈衝的不鏽鋼物品90。注意到該等大型波紋92係經良好組織並且與該等較小、較高頻率波紋的方向相垂直，同時該等取代並已去除該不鏽鋼裡任何顆粒邊界的標示。刻度94顯示這些波紋具有約800nm的週期。圖2e及f內的表面標記既已受曝於超過Fr，即注量下限，的雷射能量密度，此時會在該不鏽鋼的表面上組成大型波紋並且不表示具有所欲商業性質的最佳標記。商業所欲黑色係經定義為具有L*=20、a*=+/-2且b*=+/-2或以下之CIE色度圖的標記。
圖3a為一不鏽鋼物品100中具有根據本發明具體實施例所產生之雷射標記102的範圍之光學顯微圖片。雷射參數係如表1所列，而焦點高度為4.6mm。注意到清楚地出現有表面顆粒邊界104。放大率係如刻度106所示。圖3b為相同不鏽鋼物品之一區段110而按較高放大率116的光學顯微圖片，其中顯示具有清晰可見顆粒邊界114的標記112。
圖4a為一利用表1所列雷射參數根據本發明之具體實施例所標記的不鏽鋼物品之範圍120的SEM影像。此範圍120係以均勻商業所欲黑色所標記，並且清晰地展現經定義顆粒邊界122。該影像的放大率是由刻度124所顯示。圖4b為圖4a所示相同經標記不鏽鋼物品之範圍130按更高放大率138的放大SEM影像。此範圍130顯示多個具有較小、高頻率波紋132的區域，而鄰接於該等較小、高頻率波紋132之區域為在該等高頻率波紋132的直角處部分地組織成較大、低頻率波紋134。注意到該等顆粒邊界136概為可見。圖4c為來自圖4a及4b之相同經標記不鏽鋼物品的範圍140在較高放大率148處所取得之SEM影像，其中顯示具有小型、高頻率波紋142的區域；該等小型、高頻率波紋被較大、低頻率波紋144所取代的區域；以及位於其等之間的清晰顆粒邊界146。圖4d為圖4a、b及c所示相同經標記不鏽鋼物品之範圍150按更高放大率154的放大SEM影像。此影像顯示一經標記不鏽鋼中具有表面紋理152的範圍150，該範圍具有自左下方巡行至右上方的小型、高頻率波紋，而被自右下方巡行至左上方的大型、較低頻率波紋所取代。此項製程可產生具有如圖所示之結節紋理的表面紋理152，這可有助於該表面的光線捕捉性質並因而促進其黑色外觀。這些影像是代表根據本發明之具體實施例的最佳標記參數。
圖5為利用表1所列雷射參數並根據本發明之具體實施例所標記的不鏽鋼物品之範圍160，而按如刻度162所表示之放大率所取得，的SEM影像。在此影像中，該等雷射參數既經調整以施用僅大於為製作可觀得標記所必要之最小注量Fu的注量F。注意到位在所定義顆粒邊界172內之具有小型、高頻率波紋的區域164、166、168、170。亦注意到該區域164與該等區域166、168及170間之波紋的振幅間之差異是表示雷射脈衝極化性與該金屬表面內之晶體指向間的關係。
圖6為一利用表1所列雷射參數，除雷射能量密度既經調整為超過開始出現大型波紋之門檻值Fr以外，根據本發明具體實施例所標記之不鏽鋼物品的範圍200，並且按如刻度202所表示之放大率所取得，的SEM影像。此影像顯示小型、高頻率波紋204在該等的直角處被大型、低頻率波紋206所取代。同時該等低頻率波紋206亦抹除顆粒邊界208。此外也顯示出由於對該表面之燒蝕損傷所造成的坑洞210。在這些點處雷射能量密度是超過該損傷門檻值Fs。這些注量水準導致具有不均勻外觀的標記並且對視角造成限制。
圖7為一利用表1所列雷射參數，除雷射能量密度既經調整為超過該不鏽鋼樣品之損傷門檻值Fs以外，根據本發明具體實施例所標記之不鏽鋼物品的範圍212，並且按如刻度214所表示之放大率所取得，的SEM影像。在此影像裡，雷射參數既經調整以提供大幅超過該不鏽鋼物品之損傷門檻值Fs的注量F。此影像顯示出鄰接於未受損傷表面218的燒蝕損傷區域216。依此注量所產生的標記顯示對該表面造成的廣泛損傷以及不規則外觀。
表1顯示的是本發明具體實施例所運用以於不鏽鋼上產生商業所欲標記的雷射參數。而雷射類型則是指用以產生雷射脈衝的技術。在本具體實施例裡是利用經二極體浦汲、固態Q切換的Nd:YV04雷射以產生雷射脈衝。適用於本發明具體實施例的雷射脈衝可為藉由其他的雷射技術，像是光纖雷射或是固態與光纖雷射的組合，所產生。波長是指雷射脈衝的波長。雷射通常會產生大致單色性脈衝，其中由該雷射所產生之波長皆近密地組聚於單一波長，在本例中為1064nm，的附近。雷射波長可為藉由諧波頻率產生所改變，其中可利用非線性晶體以令該雷射的頻率加倍或三倍化，使得輸出脈衝分別地具有532nm或355nm的波長。頻率加倍或三倍化雷射脈衝適用於本發明的具體實施例。脈衝時段長度是指該脈衝內的時間性能量分佈。即如前述，脈衝時段長度，對於像是高斯式的簡單形狀而言，可為藉由簡易的半最大值全寬度(FWHM)測度所測量，並且對於較複雜形狀則藉由積分平方方法測量。雷射功率是藉由在一涵蓋多個脈衝之時間段落上加總由該雷射所發射的功率，並且均算該功率以獲得平均雷射功率數值，所測量。重複速率(Rep Rate)是指該雷射發射出雷射脈衝的速率。一般說來，雷射展現出雷射重複速率與雷射功率之間的倒反關係，即雷射重複速率愈快，每脈衝的雷射功率就會愈低。
雷射速度是指雷射光束相對於工件而移動的速率。在此是將雷射光束定義為雷射脈衝在當從雷射經由雷射光學元件發射至工件時所行旅的路徑。本發明之一具體實施例是利用移動控制階台，其上固定以該待予標記之物品且併同於雷射光束導向光學元件，藉此當雷射脈衝化時能夠按令雷射光束相對於該工件移動的方式將雷射光束導引至該工件。咬蝕大小是指接續雷射脈衝間依照在該工件之表面上所測得的距離。咬蝕大小為重複速率與雷射速度的函數。
本發明之一具體實施例是在不鏽鋼上進行標記處理。為進行這些標記處理，雷射能量密度必須滿足Fu<F<Fr<Fs，其中Fu為該不鏽鋼基板的雷射修改門檻值；Fr為大型、低頻率波紋開始取代小型、高頻率波紋的注量；並且Fs為該表面層的損傷門檻值。Fu、Fr及Fs既已按實驗方式所獲得並且代表所選定雷射的注量，此時該基板表面層開始顯示被該雷射能量修改的跡象(Fu)，其中大型波紋開始形成(Fr)並且對該標記造成干擾的損傷開始出現(Fs)。對於10ps的IR脈衝來說，本發明實驗顯示不鏽鋼的Fu約為47mJ/cm2，Fr約為62mJ/cm2並且Fs約為73mJ/cm2。圖8為顯示出雷射能量密度222、非標記224、商業所欲標記226、非所欲標記228與損傷230間之關係的圖表220。由於難以計算並測量劑量，因此假設咬蝕大小及間距保持為固定，則利用注量作為指示參數。保持咬蝕大小及間距為固定可令劑量為正比於注量。例如，不同的脈衝時段長度和雷射波長各者可具有相對應的Fu、Fr及Fs數值，該等數值必須在進行處理之前先行決定。待予應用於這些雷射參數的實際門檻值可為按照實驗方式所決定。依照相同方式，不同的不鏽鋼材料樣本對於雷射脈衝將會有不同的反應，從而在進行處理前須先決定待予運用於一特定不鏽鋼物品的精確雷射參數。
不鏽鋼的雷射標記亦可藉由運用微微秒IR波長雷射脈衝以標記該表面的本發明具體實施例所達成。此項特點可藉由按照至少兩種不同方式來改變在該不鏽鋼表面處的雷射能量密度以產生可變灰階密度的標記。即如前述，可藉由將該焦點定位在該不鏽鋼表面之上方或下方處而獲以改變該表面處的注量。第二種控制灰階的方式則是藉由在當標記所欲樣式時更改咬蝕大小或標線間距以改變該不鏽鋼表面處的總劑量。改變咬蝕大小是指，當雷射光束相對於該物品而移動時，當遞送脈衝時調整接續脈衝之間的相對位置。咬蝕大小可為藉由改變該雷射重複速率、該雷射光束與該物品間之相對移動的速率，或兩者，所調整。改變標線間距是指，當沿鄰近標線掃描雷射光束時，調整所劃標線之間的距離以達到各種重疊程度。亦可藉由更改雷射功率、雷射脈衝時段長度或照點大小，並包含其他的雷射參數，來改變注量。
熟諳本項技藝之人士將瞭解確可對前述本發明具體實施例的細節進行多項變更而不致悖離其基礎原理。因此，本發明範疇應僅為參照於後載申請專利範圍所決定。
2．．．雷射微加工系統
4．．．雷射映鏡及功率衰減器
6．．．雷射光束導向光學元件
8．．．雷射場域光學元件
10．．．夾具
12．．．控制器
14．．．Y階台
18．．．X階台
20．．．Z階台(光學元件階台)
22．．．相機
24．．．觀看光學元件
26．．．雷射聯鎖控制器
28．．．控制器
30．．．雷射電力供應器
32．．．雷射光束校準器
34．．．雷射光束光學元件
36．．．雷射映鏡
38．．．雷射
40．．．不鏽鋼物品
42．．．高空間頻率波紋
44．．．未經標記區域
46．．．顆粒區域/晶體邊界
48．．．刻度
50．．．局部
52．．．高頻率波紋
54．．．刻度
56．．．顆粒邊界
60．．．不鏽鋼物品
62．．．高頻率波紋
64．．．刻度
66．．．顆粒邊界
70．．．不鏽鋼物品
72．．．高頻率波紋
74．．．刻度
76．．．顆粒邊界
78．．．較大波紋
80．．．不鏽鋼物品
82．．．較大波紋
84．．．刻度
90．．．不鏽鋼物品
92．．．大型波紋
94．．．刻度
100．．．不鏽鋼物品
102．．．雷射標記
104．．．表面顆粒邊界
106．．．刻度
110．．．區段
112．．．標記
114．．．顆粒邊界
116．．．放大率
120．．．經標記不鏽鋼物品範圍
122．．．顆粒邊界
124．．．刻度
130．．．經標記不鏽鋼物品範圍
132．．．較小、高頻率波紋
134．．．較大、低頻率波紋
136．．．顆粒邊界
138．．．放大率
140．．．經標記不鏽鋼物品範圍
142．．．小型、高頻率波紋
144．．．較大、低頻率波紋
146．．．顆粒邊界
148．．．放大率
150．．．經標記不鏽鋼物品範圍
152．．．表面紋理
154．．．放大率
160．．．經標記不鏽鋼物品範圍
162．．．刻度
164．．．小型、高頻率波紋區域
166．．．小型、高頻率波紋區域
168．．．小型、高頻率波紋區域
170．．．小型、高頻率波紋區域
172．．．顆粒邊界
200．．．經標記不鏽鋼物品範圍
202．．．刻度
204．．．小型、高頻率波紋
206．．．大型、低頻率波紋
208．．．顆粒邊界
210．．．坑洞
212．．．經標記不鏽鋼物品範圍
214．．．刻度
216．．．燒蝕損傷區域
218．．．未受損傷表面
220．．．關係圖
222．．．雷射能量密度
224．．．非標記
226．．．商業所欲標記
228．．．非所欲標記
230．．．損傷
圖1a及b：經調適雷射標記系統。
圖2a-f：在不鏽鋼上之雷射標記的SEM影像。
圖3a及b：在不鏽鋼上之雷射標記的光學顯微鏡影像。
圖4a-d：在不鏽鋼上之雷射標記的SEM影像。
圖5：在不鏽鋼上之雷射標記的SEM影像。
圖6：在不鏽鋼上之雷射標記的SEM影像。
圖7：在不鏽鋼上之雷射標記的SEM影像。
圖8：雷射能量密度圖表。
2．．．雷射微加工系統
4．．．雷射映鏡及功率衰減器
6．．．雷射光束導向光學元件
8．．．雷射場域光學元件
10．．．夾具
12．．．控制器
14．．．Y階台
18．．．X階台
20．．．Z階台(光學元件階台)
22．．．相機
24．．．觀看光學元件

Claims (37)

  1. 一種用以在金屬樣品上產生標記的方法，其中該金屬樣品具有注量門檻值，高於該注量門檻值則該金屬樣品趨於變得燒蝕，該方法包含：提供雷射標記系統，經建構以在可控制的脈衝注量之下導引雷射脈衝到該金屬樣品上；將雷射脈衝參數儲存在該雷射標記系統內，其中該等雷射脈衝參數包含脈衝寬度，並且其中該脈衝寬度範圍為自約1微微秒至約1000微微秒；以及根據所儲存的雷射脈衝參數控制該雷射標記系統以導引雷射脈衝以低於該注量門檻值的一脈衝注量到該金屬樣品上，從而產生標記。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含照點高度，其中該照點高度是在該金屬樣品的表面上方。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該標記具有在CIE色度圖上所測量的L*值為低於或等於20。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬樣品為不鏽鋼。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含脈衝寬度、波長、脈衝數量、脈衝時間形狀、脈衝能量密度、照點位置、照點大小、照點形狀以及照點高度、咬蝕大小、間距和速度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該脈衝寬度 的範圍為1微微秒至250微微秒之間。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該波長的範圍為自約1.5微米下至約255奈米。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含脈衝數量，並且其中該脈衝數量的範圍為自1至約10000個脈衝。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含脈衝時間形狀，並且其中該脈衝時間形狀為高斯式。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該脈衝能量密度的範圍為自1.0×10-6Joules/cm2至1.0Joules/cm2。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含照點大小，並且其中該照點大小的範圍為自約10微米至約1000微米。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含照點形狀，並且其中該照點形狀為「禮帽」式。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等雷射脈衝參數包含照點高度，並且其中該照點高度為位於該金屬樣品之表面處。
  14. 如申請專利範圍第1到13項中任一項所述之方法，其中脈衝注量F是位於最佳標記範圍內並且滿足Fu<F<Fr<Fs的關係，其中Fu為該金屬樣品的雷射修改門檻值，於該雷射修改門檻值時，小型、高度頻率波紋開始在金屬樣 品的表面上的顆粒邊界內構成；其中Fr為大型、低頻率波紋開始構成並且抹除顆粒邊界的門檻值；並且其中Fs為該表面處的材料開始自該表面上燒蝕的損傷門檻值。
  15. 如申請專利範圍第1到13項中任一項所述之方法，其中該等雷射脈衝被導引至該表面的一區域以修改該表面的該區域的型態以形成經修改的表面區域，該經修改的表面區域具有視覺上的外觀不同於在該經修改的表面區域之外的其他區域，其中該等雷射脈衝參數是經選擇以控制傳遞到該表面的該區域的總雷射輻射劑量，其中該等雷射脈衝參數包含波長，其中該波長包含紅外光，其中該經改變的表面區域包含第一複數個波紋以及第二複數個波紋，並且其中該第一複數個波紋的特徵是不同於該第二複數個波紋的特徵。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一複數個波紋的空間頻率是高於該第二複數個波紋的空間頻率。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一複數個波紋的指向是不同於該第二複數個波紋的指向。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中在該第一複數個波紋中的波紋通常小於在該第二複數個波紋中的波紋。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該標記包含多個顆粒邊界。
  20. 一種根據申請專利範圍第1到13項中任一項所述之 方法所製成的物品，該物品包含：金屬表面，其具有第一表面區域和在該第一表面區域之外的第二表面區域，其中在該第一表面區域處的該金屬表面的視覺上的外觀構成標記並且是不同於在該第二表面區域處的該金屬表面的視覺上的外觀，其中該第一區域包含第一複數個波紋和第二複數個波紋在可見的顆粒邊界的相對側上，該可見的顆粒邊界分離在該標記中具有不同均質性的結晶結構，其中該第一複數個波紋的特徵是不同於該第二複數個波紋的特徵，並且其中該經修改的表面區域呈現一所欲光學密度，該所欲光學密度在CIE色度圖上是等於或小於約L*=20、a*=+/-2及b*=+/-2。
  21. 一種雷射標記設備，此者係經調適以標記金屬樣品，其中該金屬樣品具有注量門檻值，高於該注量門檻值則該金屬樣品趨於變得燒蝕，該雷射標記設備經建構以在可控制的脈衝注量之下導引雷射脈衝到該金屬樣品上，該等調適包含：控制器，其係經調適以儲存與產生一標記於該金屬樣品上相關聯的雷射脈衝參數，並且導引該雷射標記設備根據所儲存的雷射脈衝參數以導引雷射脈衝以低於該注量門檻值的一脈衝注量到該金屬樣品上，藉此標記該金屬樣品，其中該雷射脈衝參數包含脈衝寬度，並且其中該脈衝寬度的範圍為自約1微微秒至約1000微微秒。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該標記為為黑色。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之設備，其中該標記具有在CIE色度圖上所測量的L*為低於或等於20。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該脈衝寬度的範圍為1微微秒至約250微微秒之間。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該雷射脈衝參數包含脈衝數量，其中該脈衝數量的範圍為自1至約10000個脈衝。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該雷射脈衝參數包含脈衝時間形狀，其中該脈衝時間形狀為高斯式。
  27. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該脈衝能量密度的範圍為自1.0×10-6Joules/cm2至1.0Joules/cm2。
  28. 如申請專利範圍第22項所述之設備，其中該雷射脈衝參數包含照點大小，其中該照點大小的範圍為自約10微米至約1000微米。
  29. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該雷射脈衝參數包含照點形狀，其中該照點形狀為高斯式或「禮帽」式的其中一者。
  30. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該雷射脈衝參數包含照點高度，其中該照點高度係位於該金屬樣品的該表面之上方。
  31. 如申請專利範圍第21項所述之設備，其中該雷射脈衝參數包含照點高度，其中該照點高度在該金屬樣品的該表面上。
  32. 如申請專利範圍第21到31項中任一項所述之設 備，其中該雷射脈衝參數包含脈衝注量F，其中該脈衝注量F是位於最佳標記範圍內並且滿足Fu<F<Fr<Fs的關係，其中Fu為該金屬樣品的雷射修改門檻值，於該雷射修改門檻值時，小型、高度頻率波紋開始在金屬樣品的表面上的顆粒邊界內構成；其中Fr為大型、低頻率波紋開始構成並且抹除顆粒邊界的門檻值；並且其中Fs為該表面處的材料開始自該表面上燒蝕的損傷門檻值。
  33. 如申請專利範圍第21到31項中任一項所述之設備，其中該等雷射脈衝被導引至該表面的一區域以修改該表面的該區域的型態以形成經修改的表面區域，該經修改的表面區域具有視覺上的外觀不同於在該經修改的表面區域之外的其他區域，其中該等雷射脈衝參數是經選擇以控制傳遞到該表面的該區域的總雷射輻射劑量，其中該等雷射脈衝參數包含波長，其中該波長包含紅外光，其中該經改變的表面區域包含第一複數個波紋以及第二複數個波紋，並且其中該第一複數個波紋的特徵是不同於該第二複數個波紋的特徵。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之設備，其中該第一複數個波紋的空間頻率是高於該第二複數個波紋的空間頻率。
  35. 如申請專利範圍第33項所述之方法，其中該第一複數個波紋的指向是不同於該第二複數個波紋的指向。
  36. 如申請專利範圍第33項所述之方法，其中在該第一複數個波紋中的波紋通常小於在該第二複數個波紋中的波 紋。
  37. 如申請專利範圍第33項所述之方法，其中該標記包含多個顆粒邊界。
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