杏彩体育:不锈钢激光彩色打标工艺及成色机理的研究

　　摘要不锈钢激光彩色打标工艺及成色机理的研究光学工程刘忠民张庆茂激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应从而留下永久性标记，具有技术成熟、使用寿命长、加工精度高、效率高等优点，使其在金属表面处理行业中会扮演越来越重要的角色。激光彩色打标使打标工艺实现从灰黑单色标识到彩色图形表达的质的飞跃，必然会得到更广泛的应用和发展。然而激光彩色打标工艺对材料适用性不强、激光器性能要求较高，同时存在工艺调试困难、加工效率低等问题。究其原因是激光彩色打标的成色机理及激光作用过程尚未得到全面认识、缺乏工程性研究造成的。本文从工程应用角度，系统研究了激光工艺参数对打标颜色效果的影响及其相互问的关系、３０４不锈钢激光彩色打标的成色机理以及激光诱导不锈钢表面氧化膜的生长过程。激光与物质的作用是一个动态的非平衡热作用过程，不同阶段的热作用环境有明显的区别，相对应存在不同的热作用机制。本文首次提出激光动态热作用理论，推导出激光工艺参数对打标效果的影响，完善了成色机理的理论基础，揭示了激光与物质阶段式的热作用过程。结果发现：１．激光工艺参数均是通过热作用来影响打标效果，使得浅、红色、紫色、深绿色等颜色可由不同的参数组合产生。而激光打标过程中存在三个有明显区别的热作用阶段，不同的热作用阶段的反应条件有明显的区别，导致各个阶段的反应机制也不同，因而存在深蓝色、金色等颜色只能在特定的工艺参数组合下才能产生。２．经过激光的热作用后，不锈钢表面会生成一层厚度为５０～８００ｎｍ范围的透明氧化膜。厚度在１００ｎｍ以内的氧化膜整体均匀、表面平整，这层膜产生的薄膜干涉效应导致不锈钢表面产生颜色，氧化膜的厚度及其光学常数决定其显示的颜色。厚度超过ｌＯＯｎｍ的氧化膜表面会出现明显的多峰形微结构，这些膜产生颜色不仅与光的干涉有关，还与光的散射、光的衍射有很大关系。３．通过实验发现，在激光非平衡热作用的最初阶段，由于表面的金属元素及氧气高度活化并相互充分接触，Ｃｒ２０３的吉布斯自由能Ｉ：ｔＦｅ氧化物的低，氧化物薄膜生成时会率先生成Ｃｒ的氧化物。而在残余和扩散的热作用后续阶段，金属元素与氧气需要进一步氧化反应需要突破表面已生成的氧化膜的阻碍，由于氧化物中Ｆｅ的扩散速度比Ｃｒ的要快，因此激光热作用后续阶段会导致Ｆｅ氧化物的大量生关键词：激光表面处理，彩色打标，３０４不锈钢，氧化膜ＩＩＲＥＳＥＡＲＣＨＯＮＰＲＯＣＥＳＳＡＮＤＣＯＬＯＲＩＮＧＭＥＣＨＡＮＩＳＭＯＦＴＨＥＣＯＬＯＲＳＩＮＤＵＣＥＤＢＹＬＡＳＥＲＭＡＲＫＩＮＧ０ＮＡＢＳＴＲＡＣＴＳＴＡＩＮＬＥＳＳＳＴＥＥＬＯｐｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｏｎｇ－ｍｉｎＬｉｕ，Ｑｉｎｇ—ｍａｏＺｈａｎｇＬａｓｅｒｍａｒｋｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｕｓｉｎｇｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙｌａｓｅｒｏｂｊｅｃｔＳＯｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｅａｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｒｋ，ｈａｓｍａｔｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌｏｎｇｌｉｆｅ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓｍａｋｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｍｅｔａｌｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｌａｓｅｒｃｏｌｏｒｍａｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｃｈｉｅｖｅｓａｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｅａｐｍａｋｅｓ伊ａｙｍｏｎｏｃｌｌｒｏｍｅｌｏｇｏｃｏｌｏｒｆｕｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｗｉｌｌｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄｃｏｌｏｒｍａｒｋｉｎｇｍｅｔａｌｈａｓｓａｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｎａｒｒｏｗａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｌａｓｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｄｅｂｕｇｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｌｏｗｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｃｒｕｘｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｕｄｉｅｓ，ａｎｄｓｔｉｌｌｓｏｍｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｐｒｏｂｌｅｍｌａｓｅｒｃｏｌｏｒｍａｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｔｓｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｃｅｓｓＣａｎ’ｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｌａｓｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｏｌｏｒｍａｒｋｅｄ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｃｏｌｏｒｇｅｎｅｒａｔｅｄ３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｅ，ｍｅｔａｌｇｒｏｗｔｈｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｌａｓｅｒｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄ．Ｌａｓｅｒｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔａｔｒａｎｓｉｅｎｔｎｏｎ—ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｓａｍｏｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅｒｉｏｄｓｔｈｅｒｍａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｓｈｏｕｌｄｐａｐｅｒ，ａｔｈｅｏ巧ｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｆｉｒｓｔｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｓａｍｅｇｏａｌｓｑｕａｌｉｔｙｐｒｏｃｅｓｓｒｅｓｅａｒｃｈ，ｃｏｍｐｅｔｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｒｏｌｅ—ｓｔａｇｅｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅＩｌｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄ１．ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｓｅｒｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｒｅｓｕｌｔｉｎｇｃｏｌｏｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ＳＯａｐａｌｅｙｅｌｌｏｗｒｅｄ，ｐｕｒｐｌｅｄａｒｋｇｒｅｅｎＣａｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｈｅａｔｉｎｐｕｔｖａｒｉｏｕｓｌａｓｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｄｕｃｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙｓａｍｅｃｏｌｏｒｓｄｅｅｐｂｌｕｅｇｏｌｄｃａｎｍａｒｋｅｄｏｎｌｙｓｐｅｃｉｆｉｃｓｅｔｓｌａｓｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．２．ｔｈｅｒｅｕｎｉｆｏｒｍｏｘｉｄｅｆｉｌｍ５０－８００ｎｍ，ｗｈｉｃｈｇｅｎｅｒａｔｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌａｆｔｅｒｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｅｄ．ｔｈｅｔｈｉｃｋｏｘｉｄｅｆｉｌｍｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｔｈｉｃｋｎｅｓｓｌｅｓｓｔｈａｎｌＯＯｎｍ，ａｆｆｅｃｔｒｅｓｕｌｔａｎｔｃｏｌｏｒｓｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｏｘｉｄｅｆｉｌｍｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｔｈｉｃｋｎｅｓｓｍｏｒｅｔｈａｎｌＯＯｎｍ，ａｐｐｅａｒｍｕｌｔｉｐｅａｋｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｃｏｌｏｒｓ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎｌｙｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ．３．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒ ｉｒｒａｄｉａｔｉｎｇ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｎｏｎ－ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｔｈｅｒｍｏｄｙ’ｎａｍｉｃｓ ｐｒｏｃｅｓｓ．ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｘｙｇｅｎｎｅａｒｂｙ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄａｒｅａ ｈｉｇｈｌｙａｃｔｉｖａｔｅｄ，ＳＯ Ｇｉｂｂｓｆｒｅｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｇｉｂｂｓ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｗｅｒｔｈａｎ Ｆｅｏｘｉｄｅｓ．ＳＯ Ｃｒ２０３ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙｆｏｒｍｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ｉｒｏｎｏｘｉｄｅｓ ｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅ ｓｔｉｌｌ ｅｘｉｓｔ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎａｌｒｅａｄｙ ｍａｒｋｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｌｙ ｄｉｆｆｕｓｅｄｈｅａｔ．Ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｘｙｇｅｎｔｈｕｓ ＯＣＣｕｒＳ ｆｒｏｍ ｓｕｒｆａｃｅｔｏｗａｒｄ ｉｎｓｉｄｅｗｈｉｌｅ ｍｅｔａｌｓｏｐｐｏｓｉｔｅｌｙ ｄｉｆｆｕｓｅ ｄｕｅ ｏｘｉｄｅｆｉｌｍ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｍ．Ｉｔ ａｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｏｘｉｄｅｆｉｌｍ，ｔｈｕｓ Ｆｅ ｏｘｉｄｅｓ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙｆｏｒｍｅｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｓｔａｇｅ ｍａｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｃｏｌｏｒ ｍａｒｋｉｎｇ，３０４ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅ。