基于納秒光纖激光器的彩色打標工藝研究

劉曉飛， 張堃， 王麗榮， 張寧

（中山火炬職業技術學院，廣東 中山528436）

關健詞：激光標刻；顏色；薄膜干涉；影響

0 引 言

激光打標主要有兩種方法：掩模打標、掃描激光打標。掩模打標是激光首先通過掩模，再到加工表面，通過光學設備使特定圖案投射到加工表面。通常這種標記方法需要使用高能脈沖激光束。另一種方法是用兩個電流計反射鏡將聚焦激光束移到工件表面，每個反射鏡在給定方向上偏轉激光束。通過對反射鏡的適當控制，可以獲得所需的激光束軌跡。對于傳統的金屬顏色標記方法，使用激光源的優點是它對金屬樣品的物理化學性質進行局部的改變，不會對材料的性能產生影響。在正常的大氣條件下，材料在激光加熱過程中的表面改性，會導致金屬表面的氧化進而產生顏色變化。因此，獲得給定顏色與激光束的工作參數、金屬工件的物理特性和環境條件有關。主要的工作參數是光束功率、掃描速度、光束頻率、光斑直徑，要獲得具有所需顏色特征的給定輸出，必須通過改變激光束的工作參數進行多次實驗。

目前國內外大多數的研究是用Nd:YAG和光纖激光器進行的，以確定表面粗糙度、表面反射系數、標記對比度等工藝參數。一些作者認為表面金屬著色與塊狀氧化物顏色的組成有關。Limulko等在不銹鋼上通過用光纖激光加熱表面獲得顏色，他們將顏色建模為小顏色像素的有效和，并給出能量、顏色和氧化層厚度之間的定性關系；Campanelli等[1]研究了不同工藝參數對加工后表面質量和材料加工深度的影響。本文采用納秒光纖激光打標機，探究彩色打標的發生機理，分析金屬表面打標后產生不同顏色的原因，分析具體參數對不銹鋼表面著色的影響，研究激光打標形成顏色的原因。

1 實驗材料與方法

實驗使用漢通激光有限公司的HT20W光纖激光打標機，發射波長為1064 nm，最小脈沖持續時間為100 ns。激光脈沖的頻率范圍在20～100 kHz之間，并且根據重復率，每個脈沖的傳遞能量可能在0.1～1.0 mJ之間變化。平均發射功率取決于每脈沖能量和重復頻率，最大獲得平均功率為20 W。

2 結果分析與討論

2.1 顏色表現機理

納秒光纖激光束作用在金屬表面，在金屬表層生成一層薄的半透明氧化層。薄膜干涉如圖1 所示，定義光程差為：

當n3＞n2＞n1時，同時相位變化為0的薄膜兩表面反射光線如果滿足式（3），則發生相干加強，如果滿足式（4），則發生相干相消；當n2＞n1，n2＞n3時，同時相位變化為π的薄膜兩表面反射光線如果滿足式（4），則發生相干加強，如果滿足式（3），則發生相干相消。

圖1 薄膜干涉示意圖

分析激光打標在304不銹鋼上所形成的薄膜，相對于金屬基體屬于光疏介質，滿足條件n3＞n2＞n1。金屬內部粒子吸收所有可見光，而表面粒子反射。然而，當白光輻射與氧化物層相互作用時，光的一部分被直接反射，另一部分被吸收，然后折射并被材料氧化物層界面反射。可以說它是反射光線的組合，能被眼睛感知，并被觀察為彩色表面。實際上，干涉現象是觀察材料表面處理區域的顏色的原因。

大多數金屬會反射白光發出的波長，這是由于當電場到達材料表面時自由電子會振蕩。這種金屬的行為似乎具有覆蓋整個可見光譜的共振帶寬，內部顆粒吸收所有可見光，而表面顆粒反射。然而，當白光輻射與氧化物層相互作用時，一部分光被直接反射，另一部分被吸收，然后被材料-氧化物層界面折射并最終被反射。可以說，被觀察為有色表面的是反射光線的組合。實際上，干涉現象是在材料表面的處理區域觀察到顏色的原因。氧化過程和氧化物層生長的不同階段是通過激光輻射加熱材料表面導致溫度升高，從而導致空氣中的氧氣與金屬之間發生反應；氧化過程開始于金屬表面上的氧氣的物理吸附；吸附之后，通過氧-氧聯絡分解而發生化學吸收，并在無氧電子和金屬離子之間形成離子聯絡。這導致第一氧化物胚芽的形成；在前一階段之后是橫向生長，導致形成覆蓋處理區域表面的連續薄膜；由于在金屬/氧化物界面處的陽離子/陰離子的擴散，橫向生長之后是垂直生長；氧化物層的生長及其與自然光的相互作用使得可以觀察到被處理表面的顏色。

彩色激光打標的原理是由于激光在不銹鋼樣品上形成一定厚度的氧化膜，根據薄膜干涉原理，不同的厚度的薄膜形成不同波長，所以可以觀察到不同的顏色。彩色打標通過控制系統參數設置，形成一定的激光能量，進而形成對應薄膜。由于薄膜厚度的差異，自然光線通過后便會形成特定的顏色。即使觀察角度不同，可能觀察到的樣品顏色有差異，但是基本顏色是一致的。

激光設備的主要作用是提供能量作為熱量擴散，導致材料表面發生反應。吸收的能量隨激光束功率，打標速度和激光脈沖頻率而變化。通過改變激光束而獲得的不同顏色，我們注意到在處理區域和未處理區域之間的形態差異。對于在不同激光功率下處理過的不銹鋼樣品表面，所獲得的對比度的寬度和深度隨光強的增加而增加。增加激光束功率標記速度效果沿深度出現。當深度越來越深時，對比度寬度幾乎保持不變。這是由于實際速度的降低會增加單位表面的撞擊次數[4-5]。

2.2 彩色打標顏色質量分析

2.2.1 顏色質量穩定性分析

評價彩色打標工藝質量的一個標準能否形成一樣的顏色。由于對激光打標設備的參數設置不同，可以形成不同的激光能量。而同一能量也有多種參數設置組合。在打標實驗中，對激光彩色打標工藝的穩定性進行測試是通過改變激光掃描速度、功率等參數[2]。激光功率增加或者掃描速度減小，激光打標形成的顏色會變深；激光功率減小或者掃描速度增大，激光打標形成的顏色會變淺。

2.2.2 掃描速度對顏色質量的影響

圖2中，以不同標記速度處理的兩個樣品的氧化層濃度分布不同，對于20 mm/s的速度，氧氣的濃度百分比增加，而鐵的濃度百分比減少。另一方面，對于其他元素（Cr，Ni和Mn）的濃度百分比，在整個層寬度上的變化很小。對于80 mm/s的標記速度，鉻濃度百分比增加。對于這兩種情況，鐵的擴散勝過鉻的擴散。盡管鉻對氧的親和力很高，氧化物的能量形成隨溫度的變化而變化。與常規熱處理相比，激光輻射產生的非常快速的加熱和冷卻對氧化機理產生了明顯的影響[3]。在處理后的樣品中，存在兩個峰，這些峰使我們能夠識別氧化鐵和氧化鉻。這些氧化物在有色表面上的存在證實了氧化現象的發生。

圖2 不同掃描速度樣品顯微圖像

對于在不同激光束參數下獲得的有色表面，表面差異與峰強度有關，可以用數量來解釋衍射物質的厚度，與層的厚度有關。觀察到的峰的輕微移動可以通過增加在金屬和金屬氧化物界面上擴散的氧氣速率來證明，這對晶格參數有影響。 使用相同的激光操作參數對樣品進行激光標記，表明獲得了不同的顏色。

2.2.3 激光功率對顏色質量的影響

如圖3所示，當激光功率為10 W時，可以注意到存在著代表材料熔化產生的多余金屬的圓輥。它們的形成機制是由于激光加熱過程中產生的液體層被推向激光照射區域的極限，并迅速被重新分解。在高功率區，當功率為15 W時，出現過多的金屬輥消失和覆蓋處理樣品表面的大量液滴中的條紋爆炸。激光功率的增加導致溫度的升高，使金屬材料表面氧化加重，通過比較用不同激光功率處理的兩個樣品的氧強度峰，證明溫度的升高有利于金屬和金屬氧化物界面的陽、陰離子擴散。

圖3 不同激光功率樣品顯微圖像

3 結 語

激光設備的主要作用是提供能量作為熱量擴散，導致材料表面發生反應。吸收的能量隨激光束功率、打標速度和激光脈沖頻率的變化而變化。通過設置不同的激光打標工作參數，得到不同的激光能量，可以在不銹鋼表面呈現出不同的顏色，通過脈沖激光照射獲得層的表征，金屬表面改性的氧化現象導致有色表面。也可以得出在同一樣品上獲得的不同顏色是由于不同操作參數導致的氧化層厚度差異的結論。