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 激光不銹鋼打標(biāo)
不銹鋼的發(fā)明，還要追溯到一戰(zhàn)時(shí)期。為了解決槍膛磨損的問(wèn)題，英國(guó)冶金專家Harry Brearley開展了合金鋼的研制工作，實(shí)驗(yàn)中卻無(wú)心插柳地發(fā)現(xiàn)合金鋼中添加鉻、鎳等元素能使鋼材具有優(yōu)良的防銹性能。時(shí)至今日，這種材料已經(jīng)家喻戶曉，由于其出色的耐蝕、耐磨等性能，在家電、廚具、汽車、建材、醫(yī)療器械等行業(yè)被廣泛采用。

生產(chǎn)生活中，不銹鋼制品經(jīng)常被打上數(shù)字、條形碼、二維碼、圖案等，以滿足產(chǎn)品溯源或是美觀的需要。激光打標(biāo)綠色、高效、柔性高、可永久保留，已廣泛應(yīng)用于不銹鋼制品標(biāo)識(shí)，打白、打黑則是常采用的標(biāo)記方式。激光作用于不銹鋼材質(zhì)，還可以產(chǎn)生五彩斑斕的彩色，在彩色不銹鋼層出不窮地應(yīng)用于建筑、汽車、工藝美術(shù)等領(lǐng)域的今天，激光彩色打標(biāo)為人們提供了一種全新、高效的解決方案?；瘜W(xué)著色、電化學(xué)著色等傳統(tǒng)制備彩色不銹鋼的方法能耗高、污染大、難于實(shí)現(xiàn)精細(xì)著色，相比之下，不銹鋼激光彩色打標(biāo)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

探秘激光彩色打標(biāo)
1999年，Ann Marie Carey在鈮碗上進(jìn)行了激光彩色打標(biāo)的初步嘗試，使金屬工藝品和珠寶的激光彩色打標(biāo)變得切實(shí)可行。此后，激光彩色打標(biāo)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，也成為增加產(chǎn)品附加值的一種新型工藝手段。

不銹鋼材質(zhì)在激光熱源的作用下，表面生成有色氧化物，或是生成一層無(wú)色透明的氧化膜，由于光的薄膜干涉效應(yīng)而呈現(xiàn)各種顏色，這是不銹鋼彩色打標(biāo)的基本原理。

不銹鋼中的金屬元素氧化后的產(chǎn)物本身會(huì)呈現(xiàn)顏色。表1為不銹鋼表層經(jīng)激光作用氧化后幾種主要氧化物的顏色。

在合適的激光能量作用下，不銹鋼表面會(huì)形成一層無(wú)色透明的氧化物薄膜，這層薄膜會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

如圖1所示，一束光線入射到氧化膜表面，光束在氧化膜表面同時(shí)發(fā)生反射和折射。光線2在空氣-氧化膜表面折射進(jìn)入氧化膜，在氧化膜-不銹鋼表面發(fā)生反射，最終出射光線2’，光線1的反射光線1’與光線2’重合，形成干涉光束。當(dāng)1’與2’為波峰與波峰重疊或者波谷與波谷重疊時(shí)，光振動(dòng)加強(qiáng)；若波峰與波谷重疊則光振動(dòng)減弱。

光線1’與光線2’的光程差，可由式(1)表示。

式中，n1為空氣的折射率，n2為氧化膜的折射率，i為光的入射角，h為氧化膜的厚度。

設(shè)光的波長(zhǎng)為λ，當(dāng)光程差δ=kλ(k=1,2,3,…)時(shí)，光振動(dòng)加強(qiáng)，而光程差為δ=kλ+λ/2(k=0,1,2,3,…)時(shí)，光振動(dòng)減弱。白光是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七彩色組成的復(fù)合光。由方程式(1)可知，發(fā)生干涉后具體哪種顏色的光被加強(qiáng)，主要取決于氧化膜的厚度。式(1)還告訴我們，當(dāng)人眼的觀察角度不一樣時(shí)，氧化膜呈現(xiàn)的顏色也會(huì)變化。這便是氧化薄膜干涉顯色的原理。

由式(1)可知，當(dāng)光振動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，光程差δ=kλ(k=1,2,3,…)。由此可推出式(2):

 
光由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫遞變時(shí)，波長(zhǎng)逐漸變短。由式(2)可知，理論上來(lái)說(shuō)，在合適的角度下，隨著氧化物薄膜厚度的增加，激光打標(biāo)呈現(xiàn)的顏色會(huì)按紫→藍(lán)→青→綠→黃→橙→紅的順序變化。

激光彩色打標(biāo)實(shí)驗(yàn)

我們已經(jīng)知道，在一定的觀察角度下，氧化膜的厚度決定了我們所看到的顏色。而氧化膜的厚度由入射激光能量直接決定。這里采用深圳創(chuàng)鑫激光公司的產(chǎn)品智能激光器進(jìn)行不銹鋼激光彩色打標(biāo)實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)品如圖2所示。

智能激光器是創(chuàng)鑫激光推出的尖端產(chǎn)品之一，具有體積小、重量輕、高度集成、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)。其結(jié)構(gòu)小巧緊湊，內(nèi)部集成有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、激光控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等，是激光打標(biāo)的利器。其主要性能參數(shù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)中，采用SUS304不銹鋼，激光打標(biāo)前用工業(yè)酒精將其擦拭干凈。在不同的離焦量下，分別改變激光功率、激光頻率來(lái)改變作用于不銹鋼表面的功率密度。這里打標(biāo)速度為100mm/s，填充間隔為0.03mm，打標(biāo)1次。打標(biāo)效果如圖3所示。

圖3中，離焦量分別取+4mm、+3mm、+2mm、+5mm。打標(biāo)色盤中，橫坐標(biāo)為激光功率，由35%至75%等間隔遞增，縱坐標(biāo)為激光頻率，由20kHz至35kHz等間隔遞增。觀察角度為60°(與工件表面呈60°觀察)。圖3(c)中，離焦量為+2mm時(shí)，可見(jiàn)大部分的打標(biāo)方塊內(nèi)的不銹鋼表面被灼燒至焦黃偏黑，此時(shí)材質(zhì)表面離焦點(diǎn)較近，激光能量密度偏大，打標(biāo)色盤中的顏色不夠豐富。由(a)、(b)、(d)可以看出，在20~35kHz的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)激光功率不變時(shí)，隨激光頻率變化，打標(biāo)顏色幾乎不變。打標(biāo)顏色主要隨激光功率的變化而改變。當(dāng)離焦量為+3mm時(shí)，在某一頻率下，隨激光功率增大，打標(biāo)顏色變化規(guī)律為：淡黃→藍(lán)色→淡綠→粉紅→紫紅→深紫→黃黑；當(dāng)離焦量為+4mm時(shí)，隨激光功率增大，打標(biāo)顏色變化規(guī)律為：淡黃→金黃→深藍(lán)→黃綠→紫紅→墨綠；當(dāng)離焦量為+5mm時(shí)，隨激光功率增大，打標(biāo)顏色變化規(guī)律為：淡黃→金黃→淡藍(lán)→黃綠→紫紅→墨綠。這些規(guī)律與前述理論推導(dǎo)的規(guī)律大體相符。

光纖激光器由于其優(yōu)良的光束質(zhì)量，能實(shí)現(xiàn)精細(xì)的激光彩色打標(biāo)。按照實(shí)驗(yàn)中得到的彩色打標(biāo)工藝參數(shù)，可進(jìn)行彩色打標(biāo)。圖4為采用創(chuàng)鑫激光公司出品的智能激光器進(jìn)行不銹鋼彩色打標(biāo)的例子。

當(dāng)然，不銹鋼激光彩色打標(biāo)技術(shù)目前仍有待完善。比如，打標(biāo)色彩還不是很豐富，彩色打標(biāo)效果調(diào)試較為困難，等等。然而，激光技術(shù)從誕生到今天日益廣泛的應(yīng)用，也不過(guò)半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。正如激光技術(shù)快速發(fā)展帶給世界的驚喜和便利一樣，激光彩色打標(biāo)技術(shù)也必定會(huì)不斷向前，以科技的力量讓產(chǎn)業(yè)和生活更加美好。