激光工藝參數對鋁合金燒蝕特征尺寸的影響研究

梁民，徐濤，王夢華，李曉明

（航空工業西安航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

在日常生產中，為了保證后續的可追溯性，經常在產品表面進行標記[1]，目前標記的方法主要集中于人工標記、噴墨標記、氣動沖打標記、電腦刻字標記與激光標記等[2-4]。激光標記技術與其他標記方法相比，具有污染小、標記成型速度快、質量高、靈活性大等優點，隨著激光技術的發展與進一步完善，其在軍事、醫學、通信、顯示技術等諸多領域得到了非常廣泛的應用，而激光標記中激光與物質之間的相互作用機理包含多個學科，激光燒蝕基材深度的機理在于激光作用在基材上，通過高能量密度的激光束將基材表面汽化、融化甚至電離，激光-材料相互作用引起的基材深度變化[5-7]，前人已經做了大量的研究，Fox等[8]通過觀察質量損失分析了激光燒蝕作用下的層裂現象；Pomeala等[9]對激光燒蝕鋁合金基材進行了實驗探究，獲得了部分激光工藝參數對鋁合金基材表面燒蝕深度的影響規律；張朋波等[10]進行了納秒激光燒蝕鋁合金基材的二維數值仿真，計算得出了不同脈沖寬度時光斑大小對鋁合金基材溫度和燒蝕特征尺寸的影響規律；紀利平等[11]使用COMSOL軟件研究了激光半徑、能量和燒蝕深度與燒蝕面積之間的關系；金方圓等[12]研究了激光刻蝕材料融化過程，采用有限元方法與試驗分析不同功率對硅膜的深度關系；Chan等[13]提出考慮相變機理的一維穩態模型；目前本所內產品材料大部分選擇鋁合金，然而激光燒蝕鋁合金基材的工藝參數選擇不合理，會使得激光燒蝕后刻蝕深度過淺最終導致在后續噴漆、多次轉運后標記不清晰、模糊的問題。

因此本文通過數值模擬與試驗研究激光燒蝕鋁合金基材的工藝參數對燒蝕深度的影響，旨在提供一種滿足產品標刻深度要求的激光工藝參數。

1 激光燒蝕鋁合金基材數值模擬

激光燒蝕鋁合金基材原理如圖1所示，當強激光燒蝕鋁合金基材表面時，表面吸收能量后迅速升溫，發生熔化其至汽化反應，由于產生的汽化蒸汽壓力遠大于空氣中的壓力，當激光的強度進一步加大時，可使鋁原子形成等離子體，從而產生相爆炸[13-14]。

圖1 激光燒蝕鋁合金基材原理圖

激光燒蝕特征在鋁合金基材的激光能量隨時間和空間變化的表達式為

式中：R 為激光入射的損耗系數，μcff為基材對激光能量的吸收系數，F為激光入射時的能量密度，τ為激光的脈沖寬度，ρ為基材的密度。

激光隨著空間與時間分布的規律為：

采用二維熱傳導方程描述在激光輻射作用下鋁基材的熱量傳遞，其表達式為

初始條件為：

邊界條件為

式中：ρ為基材的密度，c為基材的比熱容，T為溫度，K為基材的熱導率，Q為激光燒蝕過程中的加載熱源。

激光燒蝕鋁合金基材反應過程較為復雜，為了方便模擬，對燒蝕過程進行以下假設：

1）燒蝕過程中鋁合金基材的導熱系數、密度、比熱容等參數不隨激光燒蝕過程中溫度變化；

2）燒蝕過程中鋁合金基材對激光的吸收系數保持不變，可以采用常數替代；

3）燒蝕過程中只考慮鋁合金的熔化過程，不考慮汽化過程；

4）燒蝕過程中激光入射時為平行光，忽略激光束角度。

根據以上假設，采用COMSOL軟件中二維固體傳熱模塊模擬激光燒蝕過程，燒蝕過程中平行的激光光束從垂直于基材長度方向入射進來，激光光束半徑為r，單位為mm，鋁基材厚度d為1 mm，計算域初始溫度為300 K，計算時忽略重力對數值模擬結果的影響。激光光強采用狄利克雷邊界條件，表1為鋁合金基材的基本物理參數。

表1 鋁合金基材的基本物性參數

簡化后激光燒蝕模型圖如圖2所示，激光燒蝕采用高能量密度的激光束對目標作用，使目標表面發生物理或化學變化，造成材料迅速汽化，形成激光燒蝕區。

圖2 簡化后激光燒蝕鋁合金基材原理圖

1.1 激光功率對燒蝕特征的影響

激光功率影響激光作用在鋁合金基材上的總輸入能量，從而影響鋁合金基材的燒蝕特征尺寸，因此本文中選擇激光頻率為20 kHz，脈沖寬度為500 ns，激光功率為40、60、80、90及100 W的激光燒蝕工藝參數，研究激光功率對鋁合金基材燒蝕特征尺寸的影響規律，數值模擬結果如圖3所示。由圖3可知，當激光功率為40 W時，激光燒蝕深度為70 μm，燒蝕最大寬度為400 μm，當激光功率增加至100 kW時，鋁合金燒蝕深度達到170 μm，燒蝕最大寬度為800 μm，從圖中可以看出，隨著激光功率增大，激光燒蝕鋁合金基材的深度與寬度增大，產生這種結果的原因在于激光功率與激光作用于鋁合金基材上的總輸入能量成正比，激光功率增大，作用在鋁合金基材表面的總能量增加，造成鋁合金基材表面被汽化的部分增加，其最終使得鋁合金基材燒蝕特征尺寸增加。

圖3 激光功率對燒蝕特征的影響結果圖

1.2 激光脈沖寬度對燒蝕特征的影響

激光脈沖寬度同樣是影響鋁合金被燒蝕特征尺寸的關鍵參數之一，因此本文研究了激光脈沖寬度為100、200、300、400及500 ns時對鋁合金燒蝕特征的影響，其他參數如1.1節內容所述，激光脈沖寬度對鋁合金燒蝕特征尺寸的結果如圖4所示。

圖4 激光脈沖寬度對燒蝕特征的影響結果圖

由圖4可知，當激光脈沖寬度為100 ns時，燒蝕深度為12 μm，燒蝕寬度為120 μm，當激光脈沖寬度為500 ns時，燒蝕深度為136 μm，燒蝕寬度為500 μm，隨著激光脈沖寬度增加，鋁合金基材被燒蝕深度與寬度增加，產生這種現象的原因在于激光脈沖周期相同，激光脈沖寬度增加，單周期內激光持續作用在基材上的時間增加，使得激光作用于鋁合金基材表面的總輸入能量增加，最終導致鋁合金基材被燒蝕特征尺寸增加。

1.3 激光脈沖頻率對燒蝕特征的影響

為了探究激光脈沖頻率對鋁合金基材燒蝕特征的影響，本文研究了脈沖頻率為20、30、40、60及80 kHz時對鋁合金燒蝕特征的影響，其他參數同1.1節，激光脈沖頻率對鋁合金基材燒蝕特征尺寸的結果如圖5所示。

圖5 激光脈沖頻率對燒蝕特征的影響結果圖

由圖5可知，當激光脈沖頻率為20 kHz時，鋁合金燒蝕深度為159 μm，燒蝕寬度為579 μm，當激光脈沖頻率為80 kHz時，鋁合金燒蝕深度為320 μm，燒蝕寬度為990 μm，隨著激光脈沖頻率增加，鋁合金基材燒蝕的深度與寬度增加，產生這種現象的原因在于激光頻率增加，單位時間內作用于鋁合金基材的脈沖次數增加，使得單位時間作用于鋁合金基材表面的總能量增加，最終導致鋁合金基材被燒蝕的特征尺寸增加。

2 實驗研究

為了驗證數值模擬中激光工藝參數對鋁合金基材燒蝕特征影響規律的正確性，采用現有的激光打標機（購自大族激光科技產業集團股份有限公司，型號為HM50）對鋁合金基材表面進行燒蝕，所購買的激光打標機主要由計算機控制系統、光學系統、冷卻系統及工作臺系統4部分組成。

1）計算機控制系統主要包括計算機、D/A轉換接口電路以及打標控制軟件。D/A轉換接口電路將計算機發出的數字信號轉化為模擬信號，驅動光學系統部件按照打標控制軟件所設定的相關參數動作，發出脈沖激光，從而將標記內容燒蝕到基材表面。

2）光學系統主要由激光器擴束器、振鏡掃描系統和聚焦透鏡等部件組成。激光器輸出的激光束照射在振鏡掃描系統的反射鏡上，反射鏡片的偏轉可實現激光束在基材不同加工位置形成指定圖形或文字。

3）冷卻系統主要采用簡單的風冷方式進行冷卻，保障光學系統的長期穩定工作。

4）工作臺系統主要由XYZ軸伺服運動系統組成。

在進行激光燒蝕鋁合金實驗過程時，激光打標機中可以改變的工藝參數選擇與數值模擬中相同的激光功率、激光脈沖寬度及激光脈沖頻率。

在進行激光燒蝕鋁合金基材之前，需要對鋁合金基材表面進行清洗，清洗方法采用超聲波清洗30 min，然后將鋁合金表面用酒精擦拭干凈，放入烘箱中烘干表面殘留液體，隨后采用激光打標機對鋁合金表面進行燒蝕。

2.1 激光功率對燒蝕特征的影響

為了驗證激光功率對燒蝕特征的影響規律，選擇激光頻率為20 kHz，脈沖寬度為500 ns，激光功率為40、60、80、90、100 kHz的工藝參數對鋁合金基材進行燒蝕，試驗結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著激光功率的增加，鋁合金基材燒蝕的深度與寬度均增加，當脈沖寬度為100 W時，燒蝕深度與寬度較數值模擬結果都較小，這主要是由于數值模擬中假設了激光屬于平行光，總能量全部聚集在鋁合金基材表面，在實際工況中，激光束存在角度，在燒蝕過程中存在能量損失，但是結論趨勢與數值模擬吻合。

2.2 激光脈沖寬度對燒蝕特征的影響

為了驗證激光脈沖寬度對燒蝕特征的影響規律，選擇激光功率60 W，激光脈沖頻率40 kHz，脈沖寬度100、200、300、400及500 ns時對鋁合金基材進行燒蝕，試驗結果如圖7所示。

圖7 激光脈沖寬度對燒蝕特征的驗證結果圖

由圖7可知，激光脈沖寬度越寬，燒蝕產生的深度越深、寬度越寬。在與實驗過程中相同的參數下，數值模擬結果產生的鋁合金基材燒蝕特征尺寸均大于試驗研究。產生該種原因的解釋與2.2節解釋內容相同。

2.3 激光脈沖頻率對燒蝕特征的影響

為了驗證激光脈沖頻率對燒蝕特征的影響規律，選擇激光功率為80 W，激光脈沖頻率為20、30、40、60及80 kHz時對鋁合金基材進行燒蝕，試驗結果如圖8所示。

圖8 激光脈沖頻率對燒蝕特征的驗證結果圖

由圖8可知，激光脈沖頻率越大，激光燒蝕鋁合金基材表面產生的深度越深、寬度越寬，該趨勢與數值模擬結果相對應，較好地驗證了激光脈沖頻率對燒蝕特征尺寸的影響規律，在試驗過程中還發現，激光脈沖頻率與功率均過大時，容易在鋁合金基材表面形成不期望的燒蝕多余物，且難以去除。因此在進行產品標記時，為了減少其他的工作，應選擇合適的激光頻率與激光功率。

3 結論

本文針對激光打標機在進行產品標記過程中參數選擇不合理影響后續產品識別的問題，采用數值模擬與試驗探究對激光相關參數影響鋁合金基材燒蝕特征規律進行研究，結果表明：激光功率越大，激光燒蝕特征尺寸越大，激光脈沖頻率、激光脈沖寬度與激光燒蝕特征尺寸成正比，在試驗中發現，激光脈沖頻率與激光功率過大，容易在鋁合金基材表面產生多余的非期望多余物，因此在實際應用中推薦選擇激光功率60 W、脈沖頻率40 kHz、脈沖寬度500 ns作為激光標記參數。