用理想色彩來激光標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面的方法
【專利摘要】一種用理想色彩對(duì)陽(yáng)極化金屬表面(5)進(jìn)行激光標(biāo)記的方法，該方法包括：提供用于發(fā)射包括激光脈沖的激光束(4)的激光器(1)，所述激光脈沖具有脈沖能量、脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率；提供包括第一鏡(6)和第二鏡(7)的掃描儀(2)，所述第一鏡用于在第一方向(8)上掃描所述激光束，所述第二鏡用于在第二方向(9)上掃描所述激光束；提供透鏡(3)，所述透鏡用于將所述激光束從激光器(2)聚焦至陽(yáng)極化金屬表面(5)上以形成具有光斑直徑和脈沖能量密度的光斑(31)；提供用控制信號(hào)(12)來控制掃描儀(2)的控制器(11)；通過在脈沖化激光器(1)的同時(shí)掃描該掃描儀(2)，來標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面上由掃描距離(19)隔開的多條線(15)以形成理想標(biāo)記(16)；選擇掃描速度(16)、脈沖重復(fù)頻率和光斑直徑以使在掃描儀(2)每一次掃描期間在連續(xù)光斑(31)之間的間隔(18)至少是光斑直徑的四分之一；該方法的特征是：不止一次地覆寫每條線(15)；色彩通過光斑到光斑的間隔(18)、掃描距離(19)、脈沖能量密度、脈沖寬度以及每條線被寫的次數(shù)而得到；以及選擇光斑到光斑的間隔(18)、掃描距離(19)、脈沖能量密度、脈沖寬度以及每條線被寫的次數(shù)來形成理想色彩。
【專利說明】用理想色彩來激光標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面的方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用理想色彩來激光標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面的方法。本發(fā)明具有在不使用染料、墨水或其他化學(xué)品的情況下用高質(zhì)量的黑色標(biāo)記快速標(biāo)記陽(yáng)極化鋁制消費(fèi)品的特定應(yīng)用。
[0002]發(fā)明背景
[0003]染料、墨水及其他化學(xué)品在標(biāo)記商業(yè)的消費(fèi)品和工業(yè)品時(shí)的使用對(duì)供應(yīng)鏈、物流和環(huán)境產(chǎn)生限制。因此，不使用染料、墨水或其他化學(xué)品進(jìn)行標(biāo)記的工藝提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)。激光標(biāo)記也一般更多樣化、可再現(xiàn)，并且可以提供比諸如絲印這樣的化學(xué)方法具有更高質(zhì)量和持久性的標(biāo)記。
[0004]激光標(biāo)記已經(jīng)應(yīng)用于包括金屬在內(nèi)的許多材料。一旦對(duì)于特定材料是優(yōu)選的，貝Ij激光標(biāo)記工藝對(duì)于高產(chǎn)量高產(chǎn)率的生產(chǎn)來說一般是可靠的、可重復(fù)的、且經(jīng)得起檢驗(yàn)的。一個(gè)示例是陽(yáng)極化鋁的色彩標(biāo)記，陽(yáng)極化鋁是有廣泛用途的材料，因?yàn)樗亓枯p、堅(jiān)固、容易成型并且具有耐用的表面加工。陽(yáng)極化表面一般用彩色染料來染色。然而，也可能在不使用染料、墨水或其他化學(xué)品的情況下來激光標(biāo)記陽(yáng)極化鋁。激光可直接用于或者在陽(yáng)極化內(nèi)或者在形成陽(yáng)極化的氧化層與鋁之間的交界區(qū)中形成各種色彩。類似標(biāo)記也可以在其他陽(yáng)極化金屬表面上制成，諸如鈦、鋅、鎂、鈮和鉭。
[0005]十分理想的是使消費(fèi)品具有在形狀、質(zhì)量和色彩方面與眾不同并且與周圍材料具有高色彩對(duì)比度的標(biāo)記。陽(yáng)極化鋁中的高質(zhì)量黑色標(biāo)記是高度理想的并且在商業(yè)上非常重要。
[0006]第6，777，098號(hào)美國(guó)專利描述了一種用黑色標(biāo)記來標(biāo)記陽(yáng)極化鋁制品的方法，黑色標(biāo)記出現(xiàn)在陽(yáng)極化與鋁之間的層中、因此與陽(yáng)極化表面一樣耐用。此處描述的標(biāo)記被描述為深灰或黑色色調(diào)，并且比使用納秒范圍紅外激光脈沖的無標(biāo)記部分少了幾分光澤。如第8，451，873號(hào)美國(guó)專利中教導(dǎo)的，根據(jù)第6，777，098號(hào)美國(guó)專利中所述的方法進(jìn)行標(biāo)記是不利的，因?yàn)?i)用納秒范圍脈沖創(chuàng)建商業(yè)上理想的黑色標(biāo)記趨于破壞氧化層，以及(ii)拋光之后清除鋁或其他處理在工藝中增加了另一個(gè)步驟，具有相關(guān)聯(lián)的費(fèi)用，并且可能妨礙理想的表面加工。
[0007]第8，451，873號(hào)美國(guó)專利公開了一種在陽(yáng)極化樣品上創(chuàng)建標(biāo)記的方法。該方法包括提供具有可控激光脈沖參數(shù)的激光標(biāo)記系統(tǒng)、確定與理想屬性相關(guān)聯(lián)的激光脈沖參數(shù)、以及指示激光標(biāo)記系統(tǒng)使用所選擇的激光脈沖參數(shù)來標(biāo)記制品。這樣制作的激光標(biāo)記具有從透明到不透明的光學(xué)密度、白色、與周圍制品不可區(qū)分的紋理、以及耐久的基本完整的陽(yáng)極化。該專利教導(dǎo)了使用大于I納秒的激光脈沖創(chuàng)建的標(biāo)記得到陽(yáng)極化裂化的明顯標(biāo)志。特別是，該專利教導(dǎo)了，當(dāng)用現(xiàn)有技術(shù)納秒脈沖進(jìn)行標(biāo)記時(shí)，向表面施加足夠的激光脈沖能量以作出深標(biāo)記對(duì)陽(yáng)極化造成損壞，使標(biāo)記的外觀隨著觀看角度而變化。該專利還教導(dǎo)了通過使用脈沖寬度約為1ps的脈沖來解決該問題。通過使用脈沖寬度約為1ps或更小的脈沖產(chǎn)生的標(biāo)記不會(huì)損壞陽(yáng)極化，無論標(biāo)記多深，并且標(biāo)記也不會(huì)在外觀上隨著觀看角度而變化。這種標(biāo)記一般是所謂的“冷處理”，“冷處理”利用了材料中的多光子吸收效應(yīng)。冷處理(諸如冷消融)不依賴于熱效應(yīng)而產(chǎn)生理想的處理效果，因此若被處理區(qū)域周圍存在任何熱損壞則這種熱損壞非常微小。冷處理依賴于飛秒激光、或者脈沖寬度高達(dá)約1ps至50ps的皮秒激光。通過比色法的CIE系統(tǒng)量化的標(biāo)記具有小于L = 40、a = 5和b=10的色度。盡管該專利中使用的皮秒激光比飛秒激光便宜得多，但是皮秒激光用戶比納秒激光更昂貴，因?yàn)樗麄円蕾囉诜浅８呒?jí)的技術(shù)和組件(例如光學(xué)脈沖壓縮器)來產(chǎn)生非常窄的激光脈沖寬度。此外，低于約30的L值在商業(yè)上是重要的，為此，對(duì)于成本是非常重要的許多商業(yè)應(yīng)用來說，所使用的皮秒激光并不能足夠快地寫標(biāo)記。有利的是不依賴于諸如光學(xué)脈沖壓縮和光學(xué)脈沖壓縮器這樣的昂貴技術(shù)或組件。
[0008]通過使用納秒激光對(duì)陽(yáng)極化層造成的損壞是特殊的問題。據(jù)信這是由熱效應(yīng)造成的，在陽(yáng)極化層下方構(gòu)造的熱量被作為連續(xù)脈沖被寫入。
[0009]需要一種能避免上述問題的用理想色彩對(duì)金屬表面進(jìn)行激光標(biāo)記的方法。
[0010]本發(fā)明
[0011]相應(yīng)的，在本發(fā)明的一個(gè)非限制性實(shí)施例中，提供了一種用理想色彩對(duì)陽(yáng)極化的金屬表面進(jìn)行激光標(biāo)記的方法，該方法包括:提供用于發(fā)射包括激光脈沖的激光束的激光器，所述激光脈沖具有脈沖能量、脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率;提供包括第一鏡和第二鏡的掃描儀，所述第一鏡用于在第一方向上掃描所述激光束，所述第二鏡用于在第二方向上掃描所述激光束;提供透鏡，所述透鏡用于將所述激光束從激光器聚焦至陽(yáng)極化金屬表面上以形成具有光斑直徑和脈沖能量密度的光斑;提供用控制信號(hào)來控制掃描儀的控制器;通過在脈沖化激光的同時(shí)掃描該掃描儀，來標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面上由掃描距離(hatchdistance)隔開的多條線以形成理想標(biāo)記；以及選擇掃描速度、脈沖重復(fù)頻率和光斑直徑以使在掃描儀每一次掃描期間在連續(xù)光斑之間的間隔至少是光斑直徑的四分之一;該方法的特征是不止一次地覆寫每條線，色彩通過光斑到光斑的間隔、掃描距離、脈沖能量密度、脈沖寬度以及每條線被寫的次數(shù)而得到；以及選擇光斑到光斑的間隔、掃描距離、脈沖能量密度、脈沖寬度以及每條線被寫的次數(shù)來形成理想色彩。
[0012]本發(fā)明的方法特別有吸引力，因?yàn)樗軌蚋斓卦陉?yáng)極化金屬表面上產(chǎn)生標(biāo)記，因此比至今為止可行的其他方法更經(jīng)濟(jì)。例如，可以獲得線僅被寫一次的黑色標(biāo)記，其光斑至恍斑的間隔約為ΙΟμπι，線到線間隔(掃描)約為0.2μπι。在使用具有2μπι的“數(shù)字”分辨率的典型掃描儀時(shí)，各掃描之間將花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，因?yàn)樾枰獋魉拖鄬?duì)復(fù)雜的波形來控制掃描儀以實(shí)現(xiàn)0.2μπι的子數(shù)字分辨率。然而令人驚訝的是，根據(jù)本發(fā)明的方法，通過使掃描儀步進(jìn)約2μπι(其數(shù)字分辨率)，并且覆寫線十次(等于2μπι和0.2μπι的商)，可以實(shí)現(xiàn)處理速度的顯著提高。不僅處理速度提高，陽(yáng)極化鋁上作出的標(biāo)記也更深。這是令人驚訝的，因?yàn)槲丛A(yù)期能通過覆寫線而不是相對(duì)于前一程每一程遞增的相同程數(shù)，可以更快地作出較深標(biāo)記。
[0013]每條線可以通過掃描第一鏡而同時(shí)保持第二鏡靜止來寫入?？梢圆捎闷渌麑懢€的方式，例如，第二鏡的角位置可以與第一鏡的角位置成比例遞增。然而這不是優(yōu)選的。
[0014]掃描距離可以通過移動(dòng)第二鏡來實(shí)現(xiàn)。
[0015]第二鏡的特征可以是數(shù)字分辨率，掃描距離可以對(duì)應(yīng)于該數(shù)字分辨率的整數(shù)倍。
[0016]金屬可以是沉淀強(qiáng)化型鋁合金?？梢圆捎闷渌饘?，例如陽(yáng)極化的鈦、鋅、鎂、鈮和鉭。
[0017]金屬可能已經(jīng)經(jīng)玻璃珠噴砂處理。
[0018]金屬可能已經(jīng)經(jīng)硬質(zhì)陽(yáng)極化。
[0019 ] 陽(yáng)極化可具有5μηι和25μηι之間的厚度。厚度可以在5μηι和15μηι之間。
[0020]陽(yáng)極化可能是明顯(clear)的?；蛘呋蛄硗?，陽(yáng)極化可以是彩色的。
[0021]色彩可以是任何適當(dāng)?shù)纳?，例如黑色或灰色。?dāng)色彩是黑色時(shí)，可以將黑色標(biāo)記快速寫到具有近乎完美加工的消費(fèi)品上。這在商業(yè)上是非常重要的，實(shí)際上它可以在商業(yè)可行的標(biāo)記與商業(yè)不可行的標(biāo)記之間產(chǎn)生區(qū)別。
[0022]色彩可以是灰色或黑色，L值不大于40兒值優(yōu)選是不大于30兒值不大于30的標(biāo)記一般會(huì)被認(rèn)為是黑色標(biāo)記。
[0023]激光器可以是脈沖的激光器，該脈沖的激光器提供激光束，該激光束具有大于一百皮秒的脈沖寬度。脈沖寬度可以大于I納秒。非常重要的是，與皮秒脈沖的激光相對(duì)而言，通過納秒脈沖的激光可以快速作出高質(zhì)量黑色標(biāo)記(L〈 = 30)。這是因?yàn)榧{秒脈沖的激光自本質(zhì)比皮秒激光費(fèi)用低，并且比脈沖寬度小于約50ps的飛秒和皮秒脈沖的激光費(fèi)用低得多，并且對(duì)于諸如冷消融這樣的冷激光處理應(yīng)用來說是更有市場(chǎng)的。
[0024]掃描儀可以在脈沖化激光之前被加速。該步驟通過確保在激光器在每次掃描期間首次啟動(dòng)時(shí)、掃描儀已經(jīng)以其理想速度移動(dòng)，來降低邊緣效應(yīng)。
[0025]陽(yáng)極化金屬表面可以被定向以便使形成標(biāo)記所花費(fèi)的總時(shí)間最小化。可以在理想時(shí)采用該特征，以進(jìn)一步減少產(chǎn)生標(biāo)記所花費(fèi)的時(shí)間。所花費(fèi)的時(shí)間與總距離除以掃描速度，與在線的結(jié)束處使掃描儀減速以及與在線的開始處加速掃描儀的時(shí)間有關(guān)。
[0026]掃描速度可以至少為5m/s。
[0027]脈沖重復(fù)頻率可以至少為500kHz。
[0028]掃描速度可以至少為9m/s，脈沖重復(fù)頻率可以至少為900kHz。掃描速度和脈沖重復(fù)頻率的該組合等同于ΙΟμπι的光斑到光斑間隔。這一般是在陽(yáng)極化金屬的表面上聚焦的激光束(即，光斑)的Ι/e2直徑的約一半。
[0029]每條線可以被覆寫多次。優(yōu)選的，每條線被寫至少5次，但可以采用更多次或更少次。盡管可能用相同脈沖重復(fù)頻率對(duì)每條線僅掃描一次，但已發(fā)現(xiàn)，在陽(yáng)極化材料中可能發(fā)生熱損壞。因此優(yōu)選的是盡可能快地寫每條線，以便最小化熱損壞并因此優(yōu)化標(biāo)記的質(zhì)量。
[0030]光斑到光斑間隔可以是光斑直徑的至少一半。
[0031]本發(fā)明還提供了根據(jù)本發(fā)明的方法標(biāo)記的制品。制品的示例有移動(dòng)電話、平板電腦、電視機(jī)、機(jī)械以及珠寶。
[0032]附圖簡(jiǎn)述
[0033]現(xiàn)在僅通過示例并且參照附圖描述本發(fā)明的各實(shí)施例，附圖中:
[0034]圖1示出用在根據(jù)本發(fā)明的方法中的設(shè)備；圖2示出脈沖激光波形；
[0035]圖3示出已被聚焦至表面上的激光束；
[0036]圖4示出包括金屬基板和陽(yáng)極化表面的樣品；圖5和6示出通過與第一掃描方向不同的標(biāo)記方向制作的標(biāo)記；
[0037]圖7示出標(biāo)記間的掃描速度減速和加速;圖8示出脈沖能量密度對(duì)比吸收能量密度的圖表；以及圖9和10示出線標(biāo)記的交織。
[0038]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述
[0039]圖1不出基于激光的標(biāo)記機(jī)器10，該機(jī)器10包括激光器1、掃描儀2以及物鏡3。掃描儀2相對(duì)于陽(yáng)極化金屬表面5移動(dòng)激光束4。掃描儀2包括第一鏡6和第二鏡7，第一鏡6用于在第一方向8上移動(dòng)激光束4，第二鏡7用于在第二方向9上掃描激光束4。掃描儀2被控制器11控制，控制器11通過向掃描儀2提供至少一個(gè)控制信號(hào)12來控制第一鏡6和第二鏡7的位置?？刂破?1也可以控制激光I。第一鏡6和第二鏡7—般會(huì)附接于檢流計(jì)(未示出)。
[0040]激光器I可以是光纖激光器、固態(tài)棒狀激光器、固態(tài)盤激光器、或者諸如碳氧化物激光器這樣的氣態(tài)激光器。為了標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面，激光器I優(yōu)選是脈沖激光器。激光器I被示出為經(jīng)由光纖電纜13和準(zhǔn)直光學(xué)元件14連接至掃描儀2。
[0041]控制信號(hào)12被描述為具有有限分辨率的數(shù)字控制信號(hào)，該數(shù)字控制信號(hào)一般會(huì)使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為控制器11或掃描儀2中的模擬信號(hào)。如果數(shù)字控制信號(hào)緩慢遞增，也就是說，與掃描儀2中的電和機(jī)械時(shí)間常數(shù)相似或比其更大的時(shí)間遞增，則有限分辨率對(duì)應(yīng)于第一鏡6、第二鏡7的位置中的有限角分辨率，因此對(duì)應(yīng)于激光束4在表面5上的位置中的有限空間分辨率。通過或電子地或通過掃描儀2的慣性(例如，第一鏡6和第二鏡7以及相關(guān)聯(lián)的檢流計(jì)的慣性)對(duì)控制信號(hào)12進(jìn)行濾波，一般在掃描儀2中可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的角分辨率。這對(duì)應(yīng)于激光束4在陽(yáng)極化金屬表面5上的位置中的改進(jìn)空間分辨率。
[0042]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出一系列脈沖21。該系列脈沖21可以從激光器I獲得，其中激光器I是脈沖激光器。該系列脈沖21的特征為峰值功率22、平均功率23、脈沖形狀24、脈沖能量25、脈沖寬度26以及脈沖重復(fù)頻率Fr27。
[0043]圖3示出通過將激光束4聚焦至陽(yáng)極化金屬表面5上而形成的光斑31。光學(xué)密度32是激光束4的每單位面積的功率。光學(xué)密度32跨光斑31的直徑從峰值密度39變化為Ι/e2密度33并且變化為零。光斑31的直徑一般被取為Ι/e2直徑34，該Ι/e2直徑34是光學(xué)密度32在峰值密度39的任一側(cè)上降至Ι/e2密度33的直徑。光斑31的面積35—般被取為Ι/e2直徑34內(nèi)光斑31的截面積。圖3示出以高斯或鐘形分布變化的光學(xué)密度32。光學(xué)密度32可具有其他分布，包括在波束直徑內(nèi)基本均勻的頂帽分布。
[0044]脈沖能量密度36被定義為脈沖21的每單位面積的能量。脈沖能量密度一般以單位J/cm2被測(cè)得，并且是激光標(biāo)記的重要參數(shù)，因?yàn)闃?biāo)記一般在脈沖能量密度36大于材料的脈沖能量密度閾值82時(shí)形成，參照?qǐng)D8示出。
[0045]現(xiàn)在將通過示例并且參照?qǐng)D1來描述根據(jù)本發(fā)明的以及用理想色彩對(duì)陽(yáng)極化金屬表面5進(jìn)行激光標(biāo)記的方法。該方法包括:
[0046]提供用于發(fā)射包括激光脈沖21的激光束4的激光器1，所述激光脈沖21具有脈沖能量25、脈沖寬度26和脈沖重復(fù)頻率27，參照?qǐng)D2示出；
[0047]提供包括第一鏡6和第二鏡7的掃描儀2，所述第一鏡6用于在第一方向8上掃描所述激光束4，所述第二鏡7用于在第二方向9上掃描所述激光束4;
[0048]提供透鏡3，所述透鏡3用于將所述激光束4從激光器4聚焦至陽(yáng)極化金屬表面5上以形成具有光斑直徑34和脈沖能量密度36的光斑31，參照?qǐng)D3示出；
[0049]提供用控制信號(hào)12來控制掃描儀2的控制器11;
[0050]通過在脈沖化激光器I的同時(shí)以掃描速度17掃描該掃描儀2，來標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面5上由掃描距離19隔開的多條線15以形成理想標(biāo)記16(以輪廓圖示出)；以及
[0051 ]選擇掃描速度17、脈沖重復(fù)頻率27和光斑直徑34以使在掃描儀2每一次掃描期間在連續(xù)光斑31之間的間隔18至少是光斑直徑34的四分之一。
[0052]該方法的特征是:
[0053]不止一次地覆寫每條線15;
[0054]標(biāo)記16的色彩通過光斑到光斑的間隔18、掃描距離19、脈沖能量密度36、脈沖寬度26以及每條線5被寫的次數(shù)而得到；以及
[0055]選擇光斑到光斑的間隔18、掃描距離19、脈沖能量密度36、脈沖寬度26以及每條線
15被寫的次數(shù)來形成理想色彩。
[0056]根據(jù)“光斑到光斑的間隔”18，意指距離相鄰光斑31的中心的距離，因?yàn)槊織l線15被寫一次。間隔18可以是均勻的，或者可以變化。
[0057]間隔18可以在不同方向上相同。間隔18可以在不同方向上不同。
[0058]脈沖能量密度一般在0.02J/cm2到lOJ/cm2的范圍內(nèi)。脈沖能量密度優(yōu)選在0.3J/cm2到5J/cm2的范圍內(nèi)。脈沖能量密度更優(yōu)選地在0.5J/cm2到2J/cm2的范圍內(nèi)。
[0059]脈沖寬度一般在OOps到25ns的范圍內(nèi)。脈沖寬度優(yōu)選地在300ps到1ns的范圍內(nèi)。脈沖寬度更優(yōu)選地在500ps到5ns的范圍內(nèi)。脈沖寬度意指脈沖的最大持續(xù)期一半的完全寬度。
[0060 ]峰值功率優(yōu)選地大于I kW。峰值功率意指在脈沖持續(xù)期期間的最大功率電平。
[0061 ]掃描速度一般在2到25m/s的范圍內(nèi)。掃描速度優(yōu)選地在5到15m/s的范圍內(nèi)。掃描速度更優(yōu)選地在7到10m/s的范圍內(nèi)。
[0062]優(yōu)選地，每條線15可以通過掃描第一鏡6而同時(shí)保持第二鏡7靜止來寫入。還優(yōu)選的是，掃描距離19通過移動(dòng)第二鏡7來實(shí)現(xiàn)。這是有利的，因?yàn)樗鼫p少了在控制器I中設(shè)立控制參數(shù)時(shí)的延遲。
[0063]第二鏡7的特征可以是數(shù)字分辨率101，參照?qǐng)D1示出。優(yōu)選的是，掃描距離19對(duì)應(yīng)于數(shù)字分辨率101的整數(shù)倍。例如，典型掃描儀可具有與2μπι的掃描距離19相對(duì)應(yīng)的數(shù)字分辨率101(—般是在徑向測(cè)得的角數(shù)字分辨率與透鏡3的焦距的乘積)。取代以0.2μπι的掃描距離19來寫入十條個(gè)別的線15，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過使用2μπι的掃描距離19將每條線15寫十次來寫出具有相同或相似質(zhì)量的標(biāo)記。不僅這是令人驚訝的，而且它提供了一種顯著減少標(biāo)記對(duì)象所需時(shí)間的手段。這是因?yàn)樵诘谝粧呙桤R6在同一路徑上掃描時(shí)移除了多余的延時(shí)。典型控制器為遞增連續(xù)線15間的掃描距離19所花費(fèi)的時(shí)間比例可能是顯著的，特別是在需要子數(shù)字分辨率時(shí)。
[0064]以上參照?qǐng)D1一 3所述的本發(fā)明的方法特別有吸引力，因?yàn)樗軌蚋斓卦陉?yáng)極化金屬表面上產(chǎn)生標(biāo)記，因此比至今為止可行的其他方法更經(jīng)濟(jì)。例如，可以獲得線僅被寫一次的黑色標(biāo)記，其光斑到光斑的間隔約為ΙΟμπι，掃描間隔19約為0.2μηι。然而，在使用具有對(duì)應(yīng)于2μπι的數(shù)字分辨率12的典型掃描儀時(shí)，各掃描之間將花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，因?yàn)樾枰獋魉拖鄬?duì)復(fù)雜的波形來控制掃描儀以實(shí)現(xiàn)0.2μπι的子數(shù)字分辨率12。然而令人驚訝的是，本發(fā)明的方法能夠通過使掃描儀步進(jìn)約2μπι(其數(shù)字分辨率)，并且覆寫線十次(等于2μπι和0.2μπι的商)，可以實(shí)現(xiàn)處理速度的顯著提高。還令人驚訝的是，本發(fā)明的方法通過覆寫每條線，而不是以較小的掃描距離19對(duì)每條線僅寫一次，能夠提供肉眼所見的標(biāo)記的較好均勻性。
[0065]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出包含陽(yáng)極化金屬表面5的產(chǎn)品樣本40的截面。樣本40包含金屬41和陽(yáng)極化42。金屬41可以是沉淀強(qiáng)化型招合金。沉淀強(qiáng)化型招合金可以從英國(guó)Cobham，Surrey的Aalco Metals有限公司采購(gòu)。金屬41可能已經(jīng)經(jīng)玻璃珠噴砂處理。玻璃珠噴砂處理可以從英國(guó)Towcester的SandwelI UK有限公司采購(gòu)。金屬41可能已被硬陽(yáng)極化以產(chǎn)生陽(yáng)極化42。硬陽(yáng)極化可具有5um和25um之間的厚度。更優(yōu)選的是，厚度在1um和15um之間。硬陽(yáng)極化處理可以從英國(guó)Kidderminster的Hard Anodising有限公司采購(gòu)。陽(yáng)極化42可能是明顯的?！懊黠@”意指“透明”。明顯陽(yáng)極化可以是無色的或者可以是有色的?；蛘?，陽(yáng)極化42可以是半透明的或不透明的，在每一種情況下，或是無色或是有色。色彩可由被結(jié)合至陽(yáng)極化42中的染料來提供。
[0066]標(biāo)記16的色彩可以是灰色或黑色。色彩可能具有小于或等于40的L值。L值優(yōu)選是不大于30。具有小于或等于30的L值的標(biāo)記一般被認(rèn)為是黑色標(biāo)記?？梢员豢焖賹懼料M(fèi)品上的具有近乎完美加工的黑色標(biāo)記在商業(yè)上非常重要。實(shí)際上，標(biāo)記16的寫入速度以及質(zhì)量會(huì)使標(biāo)記16以及制作標(biāo)記16的設(shè)備10區(qū)別為商業(yè)上可行或商業(yè)上不可行。
[0067]激光器I可以是脈沖激光器，該脈沖激光器具有大于一百皮秒的脈沖寬度。脈沖寬度可以大于I納秒。令人驚訝且商業(yè)上非常重要的是，相對(duì)于具有小于約1ps到50ps的脈沖寬度的皮秒脈沖激光器而言，通過納秒脈沖激光器可以快速制作高質(zhì)量的黑色標(biāo)記。這是因?yàn)榧{秒脈沖激光器自身本質(zhì)上比皮秒激光費(fèi)用低，并且比脈沖寬度小于約50ps的飛秒和皮秒脈沖激光器費(fèi)用低得多，并且對(duì)于諸如冷消融這樣的冷激光處理應(yīng)用來說是更有市場(chǎng)的。這種激光器依賴于脈沖壓縮技術(shù)或結(jié)合脈沖壓縮器。優(yōu)選的是，激光器I不包括脈沖壓縮器。
[0068]激光器I可以是具有單模式或多模式稀土摻雜光纖的光纖激光器。光束質(zhì)量可對(duì)應(yīng)于小于2的M2，或優(yōu)選小于1.3。
[0069]掃描儀2可以在脈沖化激光器I之前被加速，如參照?qǐng)D7示出。該步驟通過確保在激光器I在每次掃描期間首次被啟動(dòng)時(shí)掃描儀2已經(jīng)以其理想速度17移動(dòng)，來降低標(biāo)記16上的邊緣效應(yīng)。
[0070]如參照?qǐng)D5至7所示，陽(yáng)極化的金屬表面5可以被定向以使形成標(biāo)記16所花費(fèi)的總時(shí)間最小化。標(biāo)記16在圖5中在方向51上被定向，沿軌跡52被標(biāo)記，軌跡52具有總長(zhǎng)度53以及線15的總數(shù)54。標(biāo)記16在圖6中在方向61上被定向，沿軌跡62被標(biāo)記，軌跡62具有總長(zhǎng)度63以及線15的總數(shù)64。圖7示出在掃描光束4標(biāo)記表面5時(shí)以時(shí)間72表示的掃描光束4的速度71。如脈沖74所示，激光器I在掃描速度71近似恒定的同時(shí)被脈沖。時(shí)間73是對(duì)掃描減速并且在相反方向上對(duì)掃描加速所花費(fèi)的時(shí)間。從圖5和6清楚可見，以定向53實(shí)現(xiàn)的線15的總數(shù)54要比以定向61實(shí)現(xiàn)的圖6中的線15的總數(shù)64大得多。使形成標(biāo)記16所花的總時(shí)間最小化的定向61可以從作出標(biāo)記16所需的線15的總數(shù)54、64、掃描速度17、在每條線15結(jié)束處所花費(fèi)的反轉(zhuǎn)方向并且再次開始掃描的時(shí)間73中估算出。該特征是有利的，因?yàn)樗恍枰獊磉M(jìn)一步降低產(chǎn)生標(biāo)記16所花費(fèi)的總時(shí)間。產(chǎn)生標(biāo)記16所花費(fèi)的總時(shí)間與總距離53、63除以掃描速度17以及在每條線15的開始和結(jié)束處加速和減速所需的時(shí)間73有關(guān)。線15可各自被掃描多次。
[0071 ]掃描速度17可以至少為5m/s?！爸辽佟币庵傅扔诨虼笥?。
[0072]脈沖重復(fù)頻率27可以至少為500kHz。
[0073]掃描速度17可以至少為9m/s，脈沖重復(fù)頻率27可以至少為900kHz。掃描速度17和脈沖重復(fù)頻率27的這一組合等同于ΙΟμπι的光斑到光斑間隔18。這一般是在使用單模式脈沖的光纖激光器時(shí)在陽(yáng)極化金屬表面5上容易實(shí)現(xiàn)的聚焦激光束(即光斑31)的1/e2直徑的約一半。
[0074]每條線15優(yōu)選被覆寫至少5次。盡管可能用相同脈沖重復(fù)頻率27對(duì)每條線15僅掃描一次，但已發(fā)現(xiàn)，在陽(yáng)極化材料5中可能發(fā)生熱損壞。優(yōu)選的是盡可能快地寫每條線15，以便最小化熱損壞并因此優(yōu)化標(biāo)記的質(zhì)量。
[0075]光斑到光斑間隔18可以是光斑直徑34的至少一半。圖8示出脈沖能量密度36相對(duì)于吸收能量密度83。如參照?qǐng)D3所述，標(biāo)記16在脈沖能量密度36大于脈沖能量密度閾值82時(shí)形成。然而在形成標(biāo)記16時(shí)，個(gè)別的脈沖加熱陽(yáng)極化金屬表面5。當(dāng)吸收能量密度83超過吸收能量密度閾值84時(shí)，陽(yáng)極化42(參照?qǐng)D4示出)破裂或粉碎。這種破裂或粉碎在形成高質(zhì)量的標(biāo)記16時(shí)是不理想的。因此優(yōu)選的是，標(biāo)記工藝實(shí)現(xiàn)比脈沖能量密度閾值82大的脈沖能量密度36，但吸收能量密度83小于產(chǎn)品樣本40的吸收能量密度閾值84。
[0076]根據(jù)吸收能量密度83，其意指表面5上在圓形面積44中被吸收和保持的吸收能量密度，該圓形面積44具有大約為陽(yáng)極化42的厚度43的一到五倍的圓周45，如參照?qǐng)D4所示。吸收能量密度83跟隨在圓形面積44的區(qū)域中傳送的每個(gè)脈沖而增加，但會(huì)隨著熱量流出圓形面積44(或者沿表面5橫向，或者穿過進(jìn)入金屬41)而降低。
[0077]據(jù)信，線15的重復(fù)寫入是有利的，因?yàn)樗试S熱量有在每條線15被寫的時(shí)間之間流出圓形面積44的時(shí)間，而不意圖限制本發(fā)明的范圍。例如，具有較高質(zhì)量(陽(yáng)極化42的較少破裂或粉碎)的較深標(biāo)記16可以通過將每條線15寫五次，而不是以慢五倍的掃描速度17每條線15僅寫一次來寫標(biāo)記。在該比較中，其他參數(shù)被保持恒定，S卩，兩個(gè)標(biāo)記都以相同的峰值功率22、平均功率23、脈沖形狀24、脈沖能量25、脈沖寬度26、脈沖重復(fù)頻率27和脈沖能量密度36來寫入。
[0078]盡管本發(fā)明的方法包括將每條線15寫不止一次的步驟，但是寫線15中不同線可以通過沿圖9所示的路徑91來交織，其中掃描的方向由箭頭示出。被寫的線15之間的距離92優(yōu)選是大于陽(yáng)極化43的厚度43，更優(yōu)選是大于陽(yáng)極化43的厚度43的五倍。一旦線15被寫入，掃描路徑91就可以如圖10所示被增至新的掃描路徑101，在其中線15可以與之前被寫入的那些線相鄰(如圖10所示)，或者不相鄰。這一方法的優(yōu)點(diǎn)在于，它在每條線15正被寫入時(shí)給熱能更多時(shí)間來消散，因此降低了吸收能量密度83。這降低了陽(yáng)極化43的破裂或粉碎的風(fēng)險(xiǎn)，或者允許掃描速度17被增加。該交織方法可以通過以下方式來修改:以多個(gè)鋸齒形寫入、隨機(jī)或偽隨機(jī)地改變正在被寫入哪條線15、或者通過在每條線15的重復(fù)掃描期間實(shí)現(xiàn)交織的其他寫入模式。
[0079]再次參照?qǐng)D7，激光器I可以在時(shí)間73期間以脈沖能量密度36被脈沖，該脈沖能量密度36小于樣本40的脈沖能量密度閾值82。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于降低標(biāo)記16邊緣處的熱梯度。優(yōu)選的是，時(shí)間73期間的脈沖能量密度36至少比脈沖能量密度閾值82小五倍。
[0080]上述方法可用于標(biāo)記各種制品，包括例如移動(dòng)電話、平板電腦、電視機(jī)、機(jī)械以及珠寶。
[0081]將參照以下非限制性示例來描述本發(fā)明的方法，這是出于說明性目的而給出。
[0082]示例
[0083]參照?qǐng)D1示出的激光器I是型號(hào)為SP-020P-A-EP-S-A-Y、由英格蘭南安普頓的SPI激光器UK有限公司制造的脈沖光纖激光器。掃描儀2是由德國(guó)Wessling的Ray Iase公司制造的檢流計(jì)掃描頭型號(hào)SuperScan II。物鏡3是163mm焦距的f-θ物鏡。激光束4從激光器I經(jīng)由75mm波束擴(kuò)展準(zhǔn)直器(BEC) 14被傳送至掃描儀2，該75mm波束擴(kuò)展準(zhǔn)直器(BEC) 14允許激光束4在掃描儀2入口處具有8mm( Ι/e2)的標(biāo)稱直徑、并且在掃描儀物鏡3的焦平面上產(chǎn)生34μπι+/-5.Ομπι的光斑直徑36。在工作站10的正常操作期間，陽(yáng)極化的金屬表面5被置于該焦平面處或附近。
[0084]激光器I能夠生成納秒持續(xù)期范圍內(nèi)(在約3ns到約500ns)的脈沖并且在平均輸出功率的范圍、激光脈沖頻率以及時(shí)間脈沖形狀(對(duì)于此類激光器被稱為波形)上被操作。以此方式，脈沖能量25和脈沖峰值功率22能被準(zhǔn)確控制。掃描儀2能夠以高達(dá)lOm/s的掃描速度17來掃描激光束4(對(duì)于該情況下使用的掃描儀物鏡3的具體焦距)。掃描速度17能被準(zhǔn)確控制，以使當(dāng)激光器I在已知脈沖重復(fù)頻率27操作時(shí)，可以計(jì)算每單位運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的激光脈沖數(shù)量。
[0085]陽(yáng)極化金屬表面5是沉淀強(qiáng)化型鋁合金的樣本的頂面，該沉淀強(qiáng)化型鋁合金是玻璃珠噴砂處理的并且硬陽(yáng)極化的。硬陽(yáng)極化具有約1pm的厚度43。
[0086]本發(fā)明的方法能夠產(chǎn)生黑色標(biāo)記，而沒有在以前的納秒激光標(biāo)記時(shí)經(jīng)歷的粉碎特性。
[0087]已經(jīng)對(duì)其他陽(yáng)極化金屬表面進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)說明了標(biāo)記的質(zhì)量和黑色度、以及根據(jù)本發(fā)明方法寫標(biāo)記的改進(jìn)。
[0088]應(yīng)當(dāng)理解，以上參照附圖所述的本發(fā)明的各實(shí)施例已經(jīng)僅通過示例給出，可以提供修改及附加的步驟和組件來加強(qiáng)性能。附圖中示出的個(gè)別組件不限于它們?cè)诟綀D中的用途，并且可以用在其他附圖以及本發(fā)明的所有方面中。本發(fā)明擴(kuò)展至單獨(dú)或組合示出的上述特征。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用理想色彩對(duì)陽(yáng)極化金屬表面進(jìn)行激光標(biāo)記的方法，所述方法包括: 提供用于發(fā)射包括激光脈沖的激光束的激光器，所述激光脈沖具有脈沖能量、脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率； 提供包括第一鏡和第二鏡的掃描儀，所述第一鏡用于在第一方向上掃描所述激光束，所述第二鏡用于在第二方向上掃描所述激光束； 提供透鏡，所述透鏡用于將所述激光束從激光器聚焦至陽(yáng)極化金屬表面上以形成具有光斑直徑和脈沖能量密度的光斑； 提供用控制信號(hào)來控制掃描儀的控制器； 通過在脈沖化激光的同時(shí)掃描該掃描儀，來標(biāo)記陽(yáng)極化金屬表面上由掃描距離隔開的多條線以形成理想標(biāo)記；以及 選擇掃描速度、脈沖重復(fù)頻率和光斑直徑以使在掃描儀每一次掃描期間在連續(xù)光斑之間的間隔至少是光斑直徑的四分之一； 所述方法的特征是: 不止一次地覆寫每條線； 通過光斑到光斑的間隔、掃描距離、脈沖能量密度、脈沖寬度以及每條線被寫的次數(shù)而得到所述色彩；以及 選擇光斑到光斑的間隔、掃描距離、脈沖能量密度、脈沖寬度以及每條線被寫的次數(shù)來形成理想色彩。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每條線通過掃描所述第一鏡同時(shí)使所述第二鏡保持靜止而被寫入。3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述掃描距離通過移動(dòng)所述第二鏡來實(shí)現(xiàn)。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二鏡的特征是數(shù)字分辨率，所述掃描距離對(duì)應(yīng)于所述數(shù)字分辨率的整數(shù)倍。5.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述金屬是沉淀強(qiáng)化型鋁合金。6.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述金屬已經(jīng)經(jīng)玻璃珠噴砂處理。7.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述金屬已經(jīng)被硬陽(yáng)極化。8.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極化具有5μπι和25ym之間的厚度。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極化具有5μπι和15μπι之間的厚度。10.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極化是明顯的。11.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極化是有色的。12.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述色彩是L值不大于40的灰色或黑色。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述L值不大于30。14.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光器是提供脈沖寬度大于一百皮秒的激光束的脈沖激光器。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述脈沖寬度大于I納秒。16.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述掃描儀在脈沖化激光器之前被加速。17.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極化金屬表面被定向以便使形成所述標(biāo)記所花的總時(shí)間最小。18.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述掃描速度至少為5m/s。19.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述脈沖重復(fù)頻率至少為500kHz ο20.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述掃描速度至少為9m/s，所述脈沖重復(fù)頻率至少為900kHz。21.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，每條線被覆寫至少5次。22.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述光斑到光斑的間隔至少為光斑直徑的一半。23.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法被標(biāo)記的制品。
【文檔編號(hào)】B41M5/00GK105848914SQ201480066022
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年12月1日
【發(fā)明人】H·S·安德烈, P·M·哈里森
【申請(qǐng)人】司浦愛激光技術(shù)英國(guó)有限公司