Приложение А (рекомендуемое). Оптимальные параметры и режимы технологического процесса лазерной маркировки

Приложение А
(рекомендуемое)

Оптимальные параметры и режимы технологического процесса лазерной маркировки

А.1 Общие положения

При проведении ТП ЛМ следует учитывать, что значение импульсной мощности Р _имп является основным параметром выполнения ТП ЛМ тем или иным способом, при этом значение Р _ср используют для задания требуемой скорости перемещения лазерного луча V при данном значении его диаметра (ширины отпечатка) d _n. Оптимальные параметры ТП ЛМ, как правило, реализуют в режиме "перекрывающих импульсов" путем достижения определенного соотношения частоты следования импульсов излучения и скорости ЛМ. При этом протекающие в течение одного импульса процессы изменения А, связанные с активацией химических процессов, могут при накладывании импульсов друг на друга привести к возникновению положительных обратных связей и увеличению контрастности образующихся продуктов химической реакции, если их оптические свойства отличаются от оптических свойств исходного вещества.

Параметр J _м - число импульсов излучения, приходящихся на длину перемещения луча, вычисляют по формуле

,

(А.1)

где - диаметр лазерного луча, мм;

f - частота подачи импульсов, Гц;

V - скорость перемещения лазерного луча, мм/с.

Значение параметра J _м используют для определения режима "жесткости" ЛМ и импульсной мощности Р _имп.

Поле оптимальных режимов ТП ЛМ для Nd-АИГ лазера представлено на рисунке А.1.

1 - ЛМ металла термовлиянием; 2 - ЛМ металла проплавлением; 3 - ЛМ металла испарением; 4 - ЛМ по нанесенному минеральному покрытию; 5 - ЛМ по светлому пластиковому покрытию; 6 - ЛМ по темному пластиковому покрытию

Рисунок А.1 - Поле оптимальных режимов ТП ЛМ для Nd-АИГ лазера

Данную форму представления поля оптимальных режимов ТП ЛМ в координатах Р _имп - J _м, основанную на субъективном восприятии результатов ЛМ, рекомендуется применять для приблизительного определения области необходимых параметров ТП ЛМ.

Максимально оптимальные значения параметров ТП ЛМ получают в режиме сканирования по круговому закону.

Состояние поверхности металла в зоне ЛМ приведено на рисунке А.2.

1 - ЛМ термовлиянием; 2 - ЛМ проплавлением; 3 - ЛМ испарением

Рисунок А.2 - Состояние поверхности металла в зоне ЛМ

Результат маркировки оценивают качественно по совокупности точностных, эргонометрических, надежностных и экономических параметров. Эргонометрические параметры оценивают по субъективному восприятию полученного изображения, основанному на оценке контрастности и четкости линий, формирующих изображение.

А.2 Лазерная маркировка термовлиянием

ЛМ термовлиянием заключается в изменении цвета и структуры материала под воздействием тепла, выделяющегося в результате поглощения лазерного излучения. Следует учитывать, что данный способ отличается невысокой производительностью. ЛМ термовлиянием, как правило, применяют с целью сохранения геометрических параметров поверхности и недопустимости образования концентраторов напряжения, термических напряжений и деформаций. Основные технологические параметры данного ТП ЛМ - это непрерывный режим или близкое к нему генерирование лазерного излучения и относительно низкая интенсивность излучения в фокусе на уровне 10 ³-10 ⁴ Вт/см ². ЛМ термовлиянием маркируют изделия из металлов, окислы которых образуются при указанных условиях и контрастируют с фоном. Такими металлами являются стали с полированной (матированной) поверхностью.

ТП ЛМ термовлиянием отличается более низким, чем при маркировке испарением, уровнем интенсивности лазерного излучения, при котором температура поверхности не достигает T _кип, а происходит только поверхностный нагрев или оплавление поверхности материала. В этом случае процесс взаимодействия лазерного излучения с материалом может быть разделен на следующие стадии:

- поглощение лазерного излучения материалом;

- нагревание материала без разрушения до температуры полиморфных превращений и инициация химических реакций;

- остывание поверхности с образованием контрастирующих продуктов химических реакций и структуры, отличной от первоначальной.

Одним из основных параметров данного ТП ЛМ является максимальная глубина проплавления. Так как температура поверхности металлического изделия должна быть не более T _кип, то максимальную глубину проплавления h _max, мм, вычисляют по формуле

,

(А.2)

где - радиус пятна нагрева, мм;

- температура кипения, °С;

- температура плавления, °С.

Необходимое значение максимальной глубины проплавления можно получить при увеличении длительности импульса лазерного излучения до 10r ₀ ²/а и одновременном снижении плотности потока до минимально возможного значения q = kТ _b/r ₀. Применение более коротких импульсов при соответствующем увеличении мощности лазерного излучения приводит к уменьшению глубины проплавления и к возможному переходу процесса в режим испарения. Следует учитывать, что температура поверхности металлического изделия при маркировке проплавлением не достигает Т _кип, при этом происходит нагрев металла выше температур полиморфных превращений, что может привести к изменению первоначальной структуры зоны термического влияния и к потере необходимых механических свойств поверхности изделия. Для ЛМ термовлиянием применяют импульсное и непрерывное лазерное излучение.

Одним из способов формирования покрытий является химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ). При реализации ХОГФ необходимые реагенты в газообразном состоянии подают в зону осаждения, в которой они гетерогенно реагируют, образуя твердофазную пленку на обрабатываемом изделии. Как правило, инициирование химических реакций, приводящих к осаждению пленки, осуществляется за счет нагрева зоны взаимодействия Для реализации ТП ЛМ термовлиянием рекомендуется выполнять ХОГФ с применением источника лазерного излучения для локального кратковременного нагрева приповерхностных слоев обрабатываемого изделия без изменения свойств обрабатываемого материала. Например, при нагреве поверхности титана лазерным излучением в присутствии азота на поверхности металлического изделия образуется золотистый слой нитрида, формирующий изображение.

А.3 Лазерная маркировка проплавлением

ЛМ проплавлением заключается в формировании заданного изображения путем переплавления материала в зоне воздействия лазерного излучения. При этом плотность мощности лазерного излучения в фокусе составляет 10 ⁴-10 ⁵ Вт/см ². Контрастность и четкость изображения повышаются за счет появления микрорельефа в дополнение к окислению.

А.4 Лазерная маркировка испарением (лазерное гравирование)

ЛМ испарением (лазерное гравирование) заключается в изменении геометрических параметров поверхности обрабатываемого изделия в результате разогрева ее до температуры интенсивного испарения под действием лазерного излучения и удаления материала из зоны воздействия при испарении и разбрызгивании. В результате на поверхности изделия образуется "канавка", которая формирует изображение. Маркировка, нанесенная на изделия данным способом, имеет высокое качество и долговечна, при этом следует учитывать, что для особо ответственных деталей требуется проведение дополнительной оценки надежностных показателей (коррозионной стойкости, усталостной прочности и т.п.). Рекомендуемые параметры ЛМ испарением - высокая интенсивность излучения в фокусе на уровне 10 ⁵-10 ⁷ Вт/см ². Контрастность полученного изображения может быть многократно повышена дополнительной обработкой, например, "внедрением" красителя в образованную "канавку".

А.5 Лазерная маркировка по нанесенному покрытию

Для получения изображения предварительно нанесенное на изделие покрытие удаляют лазерным излучением, обнажая его металлическую поверхность. Требуемая плотность мощности лазерного излучения зависит от типа и толщины покрытия и составляет 10 ⁴-10 ⁷ Вт/см ².

А.6 Формирование многоцветного изображения на поверхности металлического изделия способом цветной лазерной маркировки

Возможности лазерной маркировки и гравировки (информационные, декоративные и художественные) поверхности металлических изделий могут быть существенно расширены, если высокую разрешающую способность и точность изображения, гибкость, оперативность и простую перестройку, бесконтактность и минимальное деформирующее воздействие на деталь, высокую износостойкость изображения дополнить возможностью управления цветом наносимого изображения.

Цветную лазерную маркировку и гравировку применяют в промышленном производстве (нанесение цветных логотипов на выпускаемую продукцию с целью исключения возможности подделки), при изготовлении рекламной продукции (сувенирная продукция, визитки, шильдики, панели приборов), в ювелирном производстве, декоративно-прикладном искусстве и т.п. Цветная лазерная маркировка и гравировка основаны на эффекте окисления металлов на воздухе при нагревании - при окислении наблюдается образование "цветов побежалости", каждый из которых соответствует определенному (одному из возможных) окислу данного металла.

Нагревая поверхность обрабатываемого металлического изделия импульсным лазерным излучением, можно управлять геометрической структурой (топологией) образующихся окислов и степенью окисления металлов и создавать полноцветное изображение.