评论:不同的激光器类型对材料雕刻的影响过程

文摘

激光是一种非传统的设备在许多应用程序中使用,因为它是一个多才多艺的灵活性和成本效益。在本文中,讨论了不同类型的激光雕刻不同材料不同的基本研究激光雕刻。激光雕刻是非常实用的努力雕刻和各种材料通过删除层的一部分,从表面到一个特定的深度。激光波长等参数的影响,脉冲持续时间、重复率和经营方式研究了各种类型的材料。同时,材料特性的影响,如光学和物理特性对入射激光辐射进行了研究。有很多种工业激光用于雕刻,二氧化碳(CO2)激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG激光器、光纤激光器等。本文讨论了三种类型的激光雕刻的效果在不同的材料。与样品比较解释每个作者的摘要和激光的类型,材料结果和他们的应用程序的速度。

关键字

激光雕刻、工艺参数、表面粗糙度、雕刻深度、雕刻

介绍

激光是一种通用的技术,具有所需的灵活性处理广泛的材料为各种应用程序,如切割、焊接、钻孔、雕刻、快速制造、消融和另一个应用程序(如医疗、通信、军事等。1- - - - - -3]。它们的重要性来自于其广泛的优势,非接触式的机器,精度高,较低的热影响区,高速、灵活性、通用性和简单的自动化雷竞技网页版和计算机控制,除了小处理时间和更少的成本4,5]。

文献综述

目前的工作将集中在雕刻过程对其广泛使用。大约90%的工业激光雕刻在哪里做产品标识行业包括国内商品、微电子、汽车和航空航天等美学应用程序的其余部分被装饰模式和公司标志5]。同时,安全标志发展和增长是由于减少的评分尺度使用短的波长激光器(6]。激光雕刻是一个表面的过程,聚焦激光束在底物转化为热能并导致删除层的一部分从表面到一个特定的深度(4,7]。这种技术非常实用和复杂,虽然指定应该使用计算机程序控制激光头。尽管这种复杂性,非常准确,复杂的表单和清洁雕刻可以从这种技术获得。同时,它有一些优点像不需要熟练的技艺,一些时间成本雕刻很多块,雕刻不同类型的材料在同一台机器上(7,8]。雕刻过程重要性来自它广泛应用,如印刷、微加工,花瓶标志,图形设计,雕刻在珠宝和凹版印刷(例如,钞票和护照)。有许多类型的工业激光用于雕刻过程中,使用最流行的激光将在这工作是复审,二氧化碳有限公司₂掺钕钇铝石榴石Nd: YAG激光和光纤激光器。在雕刻过程中,激光光束的光学外观不同表面的激光基质。此时,加热、融化和蒸发现象进行删除层从材料表面雕刻过程进行调查。矢量扫描或光栅扫描用于扫描激光束engrav-ing对象的两个维度(4]。有三种技术与激光雕刻,第一掩模技术(图1),第二个向量技术(图2)在点阵打印(1,9]:

形状的精密程度,去除率和表面质量在雕刻过程中严格依赖于材料特性(吸收、反射、透射、熔点和另一个),激光源特征(波长、功率、速度、光斑大小和另一个)和工艺参数(表面粗糙度、深度雕刻和另一个)。同时,有不同的优化方法用于设计实验和组织等激光参数的影响完全析因设计,田口方法,灰色关联分析,方差分析方法。许多先前的研究涉及到激光雕刻过程和处理来自不同方面将进行点评,请点击这里。使用的一些研究,参照最突出的特征。我们想指出,我们将审查的研究已经在不同的时期,包括一些国家的重要性和继续和发展工作。最后,一个简单的所有研究人员之间进行比较,讨论了激光类型,材料,每一个研究的结果和应用程序或利益。本文将分类根据激光雕刻过程类型有限公司₂,Nd:牦牛,光纤激光器和激光将讨论不同的影响材料使用不同的作者实验在不同的年。

二氧化碳有限公司₂激光

的有限公司₂激光是一个最强大的和重要的气体激光器Kumar帕特尔1964年贝尔实验室发明的。用于激光范围的工业强国between10波长10.6 mm - 10000 W,可以带定心蓝鸟毫米10]。对于这种类型的激光器,有许多参数影响雕刻过程,波长激光模式(连续波或脉冲),扫描速度、冷却类型、光斑大小和其他参数,会记得不同的研究实验。的有限公司₂激光通常(但不总是)最适当的来源有机的材料,如纸张、木材和一些聚合物含有添加剂(6]。这是最实用的激光用于这个原因做了一些研究,加强或调查其效果。其他的研究发明了一种方法,雕刻不同的材料和不同的技术。

唐纳德克等人发明了一种方法,雕刻光敏聚合物印刷板使用1200瓦特,二氧化碳有限公司₂激光与高质量提供一种经济的方法。在他们的工作,雕刻过程是通过几个阶段(11]。首先,感光性树脂板表面处理,然后释放层移除。之后,激光用于雕刻材料的顶面最后出现的碎片激光雕刻后删除。计算机系统与具体的CAD软件作为控制单元发送一个数据扫描材料表面雕刻操作期间。从他们的发明,他们没有使用一个印在光敏聚合物图形艺术电影或与高质量摄影面具雕刻感光性树脂板和他们使用激光雕刻传统的的过程。此外,这个过程有一个缺点,就是这个过程及其后的残渣出现需要多级减少工作时间的质量。

Bebghalem等人研究了CO2激光的影响参数对雕刻玻璃(9]。他们使用光学和普通玻璃雕刻测量仪器的测量尺度μm 1/10的精度。一个公司₂与25 W最大功率激光器在他们的实验中使用。在这个过程中使用的参数一直是激光扫描速度(400、600、800、1000 m / s)、电力(75和80%的25 W)和传球的数量(1、2和3通过)。激光光束被检流计的正面引导到衬底包括两个固定的镜子。这两个镜子引导激光束的透镜聚焦光束在工作场所。他们还做了一个样本之间的校准激光和参考样本。校准结果显示良好的正确和弱分散在阅读价值。然而,他们注意到一些雕刻样品由于裂缝通道的数量使缺陷在他们的工作。在目前的工作,一些作者使用水下技术减少热量的产生裂纹和另一个缺陷的样品。

阿什拉夫和Fauzan调查的影响激光参数特征的雕刻和宽度大小使用传统有限公司₂激光雕刻机304级不锈钢(12]。在工作中雕刻是304等级不锈钢使用8个测试包括8个参数组合。本研究讨论的过程参数,包括协助气体,气体压力、切割速度、高度和聚焦透镜聚焦。金相显微镜是用来测试和测量样品。实验的设计,分析被用于定量分析结果采用一款统计软件。他们发现雕刻宽度大大受切削速度和力量和速度之间的互动。定性分析已经显示出各种特征差异,尽管使用相同的参数组合。从他们的研究中,他们发现,雕刻的特征宽度大小可以从参数预测时使用使用传统的有限公司₂激光机器。这个工作的缺陷在使用更少的实验,其结果是不够的依赖。除了,还有许多其他重要参数的激光雕刻过程中他们不研究它的影响。

店等人研究光束方向的影响在雕刻使用有限公司₂激光。他们讨论了激光的不同用途,使用封锁的挑战,连续的有限公司₂激光雕刻过程中与不同的光束入射角(13]。在工作中,一个60 W连续有限公司₂使用激光和可移动的镜子和借工作像交付系统,指导激光波工件。这个过程是有机玻璃和钠钙玻璃。不同的速度和不同的角度事件是用来雕刻材料。一个投影仪和分析被用于测量的深度和宽度,雕刻的粗糙度轮廓曲线仪测量。从他们的结果,他们发现,通过增加入射角切口宽度增加,雕刻深度降低。另外,切口宽度和雕刻深度变大在雕刻在一个较低的速度超过在高速雕刻。这个过程提供了若干好处包括高质量的、雕刻许多材料和小标记。然而,他们的实验不依赖于任何实验设计安排实验,所以增加了相同的削弱他们的工作。

Aichinger等人调查和改进的平板激光雕刻和切割。因为平板激光雕刻和刀具广泛应用于工业图形和设计分支机构(14]。出于这个原因,处理不需要的图像或变形成为了重要的影响。这就是为什么领先科技公司致力于知道这些错误的原因和识别和处置。在他们的调查中,MatLab模型已被用于控制激光参数,运动和物质数据。封锁有限公司₂激光类型已被用于雕刻与权力范围从25到80瓦。他们被监管软件的改进。性能使用更新和更先进的智能算法,输出质量提高了使用复杂的错误修正的硬件(运动飞碟,激光源)。他们的工作是新的,他们得到一个好的结果,但是他们的方法是复杂和缺陷,需要一个专业的程序员工作。

Genna等人实验研究了激光加工在poly-methyl -。丙烯酸甲酯(PMMA)表。所做的测试是雕刻的10×10毫米²表面的PMMA板,3毫米的厚度,使用30 W公司₂激光源、连续(CW)工作或脉冲(PW) [15]。他们的工作的目的是专注点处理参数以及它如何影响高的蚀刻加工体积,删除层和表面的粗糙度。他们用检流计的镜子将激光束和100毫米焦距镜头“平场”有200μ集中的地方。PC控制系统允许使用几何时代的例子和仿真方法的设置参数:平均功率(Pa)、脉冲频率、扫描速度和波模式:连续波或PW。雕刻板测试后,他们的研究结果表明,波模式没有受到去除率和粗糙度的影响。但是,他们通过改变扫描速度的影响,增加以提高扫描速度和减少它通过改变波模式从连续波PW 15 kHz脉冲波2 kHz。这种工作是加工的优点,有着良好的精度,更少的努力。这个工作的缺陷是一个值的结果是附加的权力和他们不使用的设计实验。

江等人开发了一个纺织设计方法结合激光雕刻和箔片探讨了(16]。金属箔纸层合,牛仔织物的表面显示闪光效果。之后,foil-laminated牛仔样本处理激光雕刻通过调整参数,包括决议(点每英寸,dpi)在20、30、40和50 dpi和像素时间(微秒,ls)在120年和180年ls融化和蒸发铝箔和一些表面纤维。的属性laserengraved foil-laminated牛仔面料,包括体重、撕裂强度、空气阻力,表面观察,颜色外观,不褪色性和耐磨性,和一些压力的力学性能,进行调查。实验结果显示,这些属性的变化主要与融化和蒸发表面复合铝箔和不同大小的裂缝,皱纹,毛孔形成纤维表面与激光能量的增加。他们的研究还显示创建模式的潜力与不同的价值观和反光的外观装饰的牛仔面料结合铝箔层压方法通过激光雕刻过程。较低的分辨率,雕刻模糊模式与小激光点可以实现。而治疗决议增加,清晰的模式可以被执行。基于相同的分辨率,像素越高时间可以出口更多的能量,使模式看起来更清楚。他们的设计方法开辟了新的可能性,金属牛仔织物的设计没有任何化学物质。 In addition to their benefits, the defect in this process was its reduce the tearing strength of fabrics which reduce the using age of fabric.

掺钕钇铝石榴石Nd: Yag激光

Nd: YAG激光是一种常用的固体激光器在不同的应用程序。钇铝石榴石(YAG)晶体的主晶格这激光Y3Al5O12化学成分。激光可以连续操作(CW)或在脉冲模式下,根据泵的方法。与中压氙(500 - 1500年托)或氪和高压(4 - 6 atm)是用作闪光灯泵这个激光器。激光的输出功率连续波模式的范围从150 W 6千瓦,q开关脉冲工作模式,达到50 MW 20 ps脉冲持续时间和1 - 100 Hz重复率。此外,二极管泵用于高输出功率(6千瓦)。Nd: YAG激光器有很多应用,比如激光手术和材料处理,例如,焊接、切割、钻孔、表面改性和许多更多3]。激光雕刻的过程有许多参数影响频率,重复率、电力和其他参数对材料和材料响应都将讨论在不同工作的许多研究人员在不同的年。

q开关Nd: YAG激光已被用于标记过程不锈钢。标记过程控制使用一种特殊的计算机程序设计,使字符(17]。有不同的工艺参数影响激光打标:脉冲频率、电流、扫描速度,但脉冲频率对这个过程有重要影响。在他们的工作,他们的研究之间的关系的质量标志和激光脉冲频率。脉冲频率对马克的影响深度和宽度测量使用光学显微镜和电子显微镜。形成鲜明对比的是使用一个图像分析系统测量抓帧器卡和电荷耦合装置(CCD)。他们已经发现马克深度、宽度和马克对比取决于激光辐射与物质相互作用,脉冲频率影响。他们的研究结果表明,马克质量高脉冲频率的影响。他们已经发现马克深度达到最大值的宽度为3千赫脉冲频率,与不同脉冲频率值保持不变。同时,材料的蒸发与增加脉冲频率减少氧化变得显著,导致改进形成鲜明对比。最大的马克对比发现8 KHz的激光脉冲的频率。 The advantage of this study was in their application on metals material which was difficult in制造业。

Bereczki等人开发了一种技术来产生一个三维表面硬钢材料使用q开关Nd: YAG激光雕刻系统扫描头烧蚀层和衬底。他们开发了一种计算方法,曲线水平消融是激光系统中合适的填充(18]。他们研究了激光参数考虑到材料去除率、表面的细节和完成程度。一种坚硬的表面是由研究热处理加工钢和使用。一种特殊的激光绘图软件已经被用于导入适当的文档级弯曲另外激光处理参数得到改善,使雕刻。MATLAB程序被用来生成数值过程指导微加工的衬底获得灰度位图输出。与线性消融过程出现的行为。光学精炼与超声波设备应用激光切除后减少带来的表面的刚度与镜面反射表面。最后,连续波激光器模式被用于控制生成的表面融化。这种策略带来了一个变量,快速而经济的过程。菲涅耳透镜阵列注入利用形式在这次考试正常工作展示这项技术的实用性建议。 Besides their benefit in three dimensions engraving with few files, this process needs a professional programmer.

利昂等人研究了雕刻过程的影响在不同类型的木材使用q开关二极管抽运Nd: YAG绿激光波长532 nm (19]。这种激光脉冲持续时间,达到150 ns, 35赫兹脉冲重复频率与5 W最大意味着权力和大约80μm聚焦光束的直径。他们检查了许多参数,取决于脉冲频率的平均功率,梁和扫描的速度或激光的重复。电脑被用于控制行业cad - cam软件开发工作有特殊的激光系统。他们一直刻5 * 5平方毫米方形腔平面样品不同在他们使用的使用参数,10日,40岁,70年,100年和200毫米/秒扫描速度,从2500 - 3500赫兹脉冲频率的范围和扫描几何图形的数量范围1 - 10这表明重复(R),而每个线性模式之间的距离,称为步(st)固定在70毫米。他们还引用使用材料的均匀性作为一个重要的参数特别是在木材雕刻这对材料去除率的影响会导致表面的不连续,所以雕刻在桃花心木,胡桃木,杨树木材是更可取的另一种像栗子橡树和松树。从他们的结果,他们发现,在加快10毫米/秒观察表面碳化和超过40 mm / s低雕刻深度观察那么多个激光扫描需要深度雕刻。这项研究的缺陷是在实验中他们尝试和错误使用而不是使用实验的设计。

高山等人致力于发展与深v型槽的微结构使用纳秒脉冲Nd: YAG激光与532 nm和1 W最大功率深凹槽在蓝宝石20.]。他们用雕刻的锥角作为影响参数的槽控制的激光挣脱,扫描速度和激光的入射角。蓝宝石单晶多维数据集,使用10毫米的长度。COMSOL multi-physics软件被用于辐照温度模拟。结果,他们讨论了连续射线的影响,焦平面位置,激光能量密度、扫描速度、入射角、锥体结构的加工。他们发现,激光能量密度和材料的烧蚀阈值确定锥角。除了锥角的增加,这一事件上的荷叶边减少。锥角变成常数当事件影响达到消融阈值,没有更多的加工。他们观察到更高速的槽底部平滑作用导致表面machine-ability减少。锋利的微结构与陡壁的操作成为可能通过使用锥形激光微加工技术形成。 Despite their good results which have been obtained from the simulation program, but the results should be compared with experimental work.

光纤激光器

这对于工业应用激光是一个伟大的工具,因为它的能力降低,雕刻等多种材料用于工业。从它的名字,光纤激光器是激光在活性介质包含光纤掺杂稀土元素,包括(Er)铒、钕(Nd)和镱(Yb)和泵浦二极管激光器。这种激光器的输出功率高达数百瓦效率高。这个激光有许多优点是契约设计,一束高品质、超短脉冲激光的产生和高tun-able范围以及与公司相比输出效率高约50%₂和Nd: YAG 10 - 30%, 2%。此外,这些激光器有一些缺点是困难使泵浦光单模光纤的核心。输出功率仅限于几百瓦,因为纤维在高泵的损坏。同时,它需要长腔长度,因为限制在吸收单位长度的纤维3]。这个激光被广泛用于工业应用像切割、焊接、雕刻、钻孔和表面处理。这种激光的重要性在于物质的影响就像激光切割低碳钢,不锈钢、有色金属、贵金属和钛不受有限公司₂激光也用于玻璃、塑料、木材和其他有机物质。所以它被用于标记或雕刻不同的材料,其效果已经研究了不同的研究人员将显示。

Kasman Saklakoğlu也调查了深度雕刻,激光手术碳化钨利用30 W固态ytterbium-doped光纤激光器在波长1064 nm (21]。

表面粗糙度的数学模型构成和雕刻,深。在他们的工作,实际研究硬质合金的切削加工性能提出了利用激光深雕刻技术。同时,他们决定的影响激光参数包括激光的力量,扫描速度、频率和填补空间的表面粗糙度和雕刻深度。扫描仪使用的焦距调整在175毫米。他们在雕刻过程中利用控制标志计划。他们发现,表面粗糙度和雕刻深度已经减少了提高扫描速度和填充间距。除了增加的频率增加了表面粗糙度,同时减少雕刻的深度。表面粗糙度和雕刻深度增加了提高激光器的输出功率。获得最低的表面粗糙度控制因素在800 mm / s时,40 kHz, 75%和0,04毫米和测量表面粗糙度是1,22μm。获得了最高的雕刻深度控制因素在200 mm / s时,20 kHz, 100%和0,2毫米和测量表面粗糙度是102,35μm。 These processes are the more powerful technique for machining the high hardness material compared with traditional method. However, the use one value for the power which gives same weaken for their work because the power was one of the most important parameters in the engraving process.

卡斯曼和Saklakoğlu他们已经研究了扫描时间对表面粗糙度的影响和雕刻深度(21]。一个实验设计实施AISI H13工具钢的工件使用30 W固态ytterbium-doped光纤激光器的波长1064 nm。在他们的工作,实验设计方案是使用全析因设计和结果评价表面粗糙度和雕刻深度。他们工作的主要贡献是他们的新证据关于multi-scan时报对表面粗糙度的影响,为激光雕刻AISI H13的雕刻深度。他们的研究结果表明,扫描速度和扫描时间对表面粗糙度有很大的影响力和最高雕刻深度。相反,频率影响不大。为了降低表面粗糙度,扫描速度应该减少,另一方面,它会导致减少雕刻深度。是很重要的,以确保同时SR和D不改善条件,增加扫描时间雕刻深度和表面粗糙度增加。回归模型表面粗糙度和雕刻深度在0.05水平显著,P = 0000。这项工作的贡献是研究multi-scan时间对表面粗糙度的影响和雕刻深度。 Despite considering this new factor for the engraving process, but it has a disadvantage which was increasing the surface roughness which considered a defect on the material surface, as well as the multi-scan on the same place, may be led to weakening in the same material and led to being broken, reduce the resistance or corrosion [22]。

Saklakoglu和Kasman研究了工艺参数对激光雕刻工具H13钢的表面形式(23]。他们的研究主要集中在铸层形成和次表层硬度作为距离的函数。实验研究已经由使用打标机结合ytterbium-doped光纤激光器波长为1064 nm和30 W的输出功率。激光光束的运动和工艺参数是由电脑控制的。八个实验基于激光雕刻参数(激光功率、扫描速度、频率)的最优值为最小表面粗糙度和深度进行了调查。参数显著影响铸层厚度是力量和扫描速度。201高压高硬度检测,测量在800 mm s - 1的扫描速度和40 kHz的频率。XRD分析表明,两个不同的阶段,铁和Fe2.96 Si 0.05 O4,存在加工表面。

帕特尔和帕特尔使用不锈钢(304)的光纤激光器研究雕刻工艺对表面粗糙度测量的影响(24]。在他们的工作,他们使用不同的频率(20、50、80 kHz),不同的雕刻速度(100、300、500毫米/秒)和不同数量的经过(10、15、20),在不锈钢(304)示例1.5毫米厚度。Akshar纤维——专业激光雕刻机使用1060纳米波长的名义输出功率为20瓦。他们进行实验利用全因子设计得到最好的雕刻质量。从他们的研究结果,他们表明,表面粗糙度在20 KHz频率高,100毫米/秒雕刻速度10通过号码。也就最多80 KHz的频率较低。从他们的结果,他们在重铸层的硬度提高到两倍200μm。然而,他们的结果表明许多缺陷,如裂缝和固体滴除了空洞出现在表面不被接受在许多应用程序和考虑作为这项工作的缺点。

帕特尔和帕特尔激光雕刻过程的参数优化进行了304不锈钢使用灰色关联技术(25]。光纤激光雕刻机雕刻过程中使用了平均功率20 w,波长1060±10 nm和脉冲持续时间< 120 ns。他们使用激光雕刻机的各种参数,考虑影响衬底上的变量输入参数是经常光顾(20、25、30千赫),雕刻速度(100、200、300毫米/秒),和程数(30、50、70)和输出参数是表面粗糙度,缩进,材料去除率。所有参数的优化做了多个响应通过灰色关联度分析。他们发现最优参数的频率,雕刻速度和传递的数量是1级(20 kHz)、二级(200毫米/秒)和三级(70年通过)。从他们的测试中,他们取得了约3.01368毫米的表面粗糙度,除了170微米材料去除率的表面粗糙度0.14524与8.65%错误,在材料去除率4.32%的误差。从他们的研究结果,他们显示最好的粗糙度,缩进,材料去除率的可预测性,并且能够应用等工业激光雕刻的雕刻质量制造业的有效选择。然而,他们使用激光功率恒定值,认为这个过程最重要的参数。

Vladan Mladenovič等人研究了光纤激光雕刻的影响冷轧符合美国钢铁协会的304不锈钢使用响应面方法(26]。计算机程序的视觉激光标记被用来设计雕刻实验。300 fl (Gravograph)光纤激光雕刻机是使用最大平均30 W的激光功率和波长1064 nm。实验设计是通过使用标准L27田口正交阵列在27日这个设计的实验进行实验。他们的研究表明,扫描速度的主要参数是影响去除率,槽的槽深度和宽度。同时,较低的扫描速度和更高的权力导致更高的横截面面积,深沟和更广泛的槽。槽的宽度增加较低的权力,同时减少在更高的功率(p 12以上,5 w)在使用激光功率和高脉冲频率越高(50 - 150千赫)没有影响,但对坡口宽度的影响有限。小槽宽度可以在高脉冲频率,获得的焦点在衬底表面。一个好的工作,他们的实验是通过使用L27屈尊的实验。同时,他们得到一个好的结果,可用于micro-fluidic应用程序。 The result showed little pores and oxide layer, but so much little so it was not considered as defect in the work.

结论

所有研究人员的结论是今年从年长的人显示所使用的激光器的类型,使用的材料,结果和应用程序或受益于每个工作(表1)。

表1:结果和应用程序或受益于每个工作。

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