Цветная лазерная маркировка металлов

А.О. АХМЕТОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ЦВЕТНАЯ ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА МЕТАЛЛОВ
Рассмотрены основные методы цветной лазерной маркировки различных металлов (нержавеющая сталь,
титан, алюминий) и физические принципы цветной маркировки. Проанализированы существующие методы
цветной маркировки при помощи фемтосекундных лазеров и волоконных лазеров наносекундной
длительности. Приведены экспериментальные данные по цветной маркировке нержавеющей стали
волоконным лазером наносекундной длительности. Определены оптимальные параметры маркировки,
дающие наилучший визуальный эффект.
Цветная маркировка металлов известна несколько десятилетий, но относительно широкое
распространение получила лишь в последние годы [1]. Это связано с нестабильностью параметров лазеров
от импульса к импульсу, которая не позволяет получить равномерный нагрев поверхности металла и, как
следствие, равномерный рост оксидной пленки. Качество и толщина оксидной пленки влияет на
стабильность цветного изображения [2]. Появление волоконных лазеров с хорошо воспроизводимыми
параметрами от импульса к импульсу позволило получать стабильные цветные изображения [3].
Распределение энергии в импульсе волоконных лазеров имеет распределение близкое к Гауссовому [4] Это
приводит к неоднородности оксидной пленки. Увеличение частоты повторения импульсов, выбор
расстояния между линиями при сканировании позволяет добиться равномерного нагрева поверхности.
В настоящее время с помощью лазеров можно маркировать различные металлы: титан, алюминий,
нержавеющую сталь. На нержавеющей стали возможно получение практически всех цветов видимого
диапазона при помощи нано- и фемтосекундных лазеров. На алюминии и титане цветные изображения
получают с помощью фемтосекундных лазеров. Цветовая палитра для этих металлов ограничена: титан –
черный, голубой, золотой; алюминий – черный, серый, золотой [5].
В данной работе исследовалась оптимизация параметров волоконного лазера для получения
качественных цветных изображений. Использовался иттербиевый волоконный лазер типа YLP с изменяемой
длительностью импульса от 10 до 200 нс и частотой повторения 1,6 – 500 кГц. Диаметр пятна в зоне
воздействия 40 мкм, 25 линий на мм. Материал для исследования – шлифованная нержавеющая сталь марки
AISI 304.
Для получения цветных пленок необходимо обеспечение постоянной мощности лазерного излучения на
поверхности материала. Цвета получаются в довольно узком диапазоне мощности – порядка 330 Вт, которая
рассчитывается как отношение мощности лазера к произведению длительности импульса и частоты
повторения:
PП=P/(t∙f).
(1)
Для получения разных цветов использовались постоянные параметры лазерного излучения при
дискретном наборе скоростей маркировки в диапазоне от 3 до 215 мм/с. Получено, что при скоростях
маркировки больше 100 мм/с воздействие лазера на поверхность стали не приводит к созданию цветных
пленок и поверхность выглядит как полированный металл с изменением оттенка от «золотого»
(v ≈ 100 мм/с) до «металлического» (v > 150 мм/с). Визуально, лучший результат удалось получить при
выборе частоты повторения 133 кГц, мощности лазера 4 Вт и диапазона скоростей маркировки 3…120 мм/с.
При этом цвета оксидной пленки изменяются от черного до золотистого (см. таблицу 1). Ключевую роль для
получения цветных пленок играет качество оксидной пленки и её толщина. Оксидная пленка на
поверхности нержавеющей стали состоит из смеси оксидов, но основными являются оксид хрома и железа
[3]. Равномерный нагрев поверхности образца для маркировки и маркировка в среде с большей
концентрацией окислителя (поддув кислородом) позволят получить более качественные цветные пленки,
т.к. диффузия кислорода будет идти равномерно.
Скорость маркировки,
мм/с
3
21
30
40
45
90
Видимый цвет
Чёрный
Зеленый
Фиолетовый
Красный
Золотой
Голубой
Таблица 1. Цвета оксидных пленок на нержавеющей стали
Параметры лазера
f=133 кГц, P=4 Вт, t=100
нс
Список литературы
1. Svantner M., Kucera M., Houdkova S. Possibilities of stainless steel laser marking. Conference on Metallurgy
and Materials. Brno, Czech Republic, 2012.
2. Svantner M., Kucera M., Houdkova S., Riha J. Influence of laser ablation on stainless steel corrosion
behavior. Conference on Metallurgy and Materials. Brno, Czech Republic, 2011.
3. Laakso P., Ruotsalainen S., Pantsar H., Penttila R. Relation of laser parameters in color marking of stainless
steel. 12 Conference in Laser Processing of Materials, Copenhagen, 2009.
4. Lehmuskero A., Kontturi V., Hiltunen J., Kuittinen M. Modeling of laser-colored stainless steel surfaces by
color pixels. Appl. Phys. B. 2010. 98. Р.497-500.
5. Vorobyev A., Guo C. Metal colorization with femtosecond laser pulses. SPIE. 2008. V7005.