CC BY
27
УДК 699.17 DOI: 10.30977/ВиК2219-5548.2020.88.1.137
ТЕХНОЛОГ1Я ЛАЗЕРНОГО КОЛЬОРОВОГО МАРКУВАННЯ СТАЛЕЙ
1 2 Афанасьева О. В. , Лалазарова Н. О.
1Харк1вський нацюнальний ун1верситет радюелектрошки,
2Харк1вський нацюнальний автомоб1льно-дорожн1й ун1верситет
Анотаця. Зд1йснено кольорове маркування корозосттког стал1 за допомогою лазер1в р1зних ти-тв. В основ/ кольорового маркування метал1в е процес утворення на поверхш зразка пл1вок з ок-сид1в оброблюваного матер1алу тд впливом лазерного випром1нювання. Встановлено, що повно-кольорове маркування може бути отримано тыьки за допомогою волоконного лазера. На основ7 попередшх розрахунюв температурно-часових параметр1в випром1нювання та проведених екс-перимент1в встановлено, що кол1р маркування визначаеться ктьюстю ¡мпульав в точку. Ключов1 слова: кольорове лазерне маркування, лазерне грав1рування, ¡мпульсне лазерне випромшювання, твердотыьний лазер, волоконний лазер, частота проходження ¡мпульав.
Вступ
Лазерне маркування - нанесення тексто-вих i графiчних зображень на поверхню ви-робу тд впливом високоштенсивного лазерного випромшювання. Маркування деталей, вузлiв або кшцевого виробу дозволяе вироб-нику контролювати обсяг продукцп, що ви-пускаеться, И яюсть та просувати свою тор-говельну марку.
Користувач отримуе на маркованому ви-робi шформащю про тип i параметри продукцп, а також гарантда якосп вщ виробника. З ушх наявних способiв маркування найбшьш сучасним i гнучким методом е лазерне маркування, оскшьки воно дозволяе керувати лазерним випромшюванням, точно дозуючи енергiю для маркування в просторi i чаш. Лазерш системи дозволяють отримати довго-тривале, зносо- та термостiйке, а також стш-ке до хiмiчних i механiчних впливiв та захи-щене вiд пiдробок маркування.
Анал1з публжацш
Лазерне маркування характеризуеться ви-соким рiвнем якостi, точносп та швидкостi нанесення, не впливае на властивосп продукцп, що маркуеться. Останнiм часом лазерне маркування використовують також пщ час ви-готовлення рiзноl сувешрно! продукцп [1, 2].
1снуе чотири типи лазерного впливу на поверхню оброблюваного матерiалу: гравiру-вання поверхнi видаленням матерiалу, ство-рення колiрного поверхневого контрасту, оплавлення поверхш, гравiрування з оплав-ленням (рис. 1).
Пiд час гравiрування пiд дiею сфокусова-ного випромшювання видаляеться частина матерiалу - до 100 мкм у випадку звичайного маркування, до 0,5 мм у випадку художнього
гравiрування або 3,5 мм тд час глибокого гравiрування.
а б в г
Рис. 1. Типи впливу лазерного випромшю-вання на поверхню оброблюваного мате-рiалу: а - гравiрування поверхш видаленням матерiалу; б - поверхневий контраст; в - оплавлення поверхш; г - гравiрування з оплавленням
Маркування стае добре видимим, оскшьки свгтло, що падае, розсдаеться в каналах по-руч з немаркованим матерiалом. Технолопя отримала широке застосування у вшх галузях виробництва. У мшроелектрошщ вона зас-тосовуеться для маркування заготовванок, виробiв i оснащення на всiх стадiях розроб-лення та виробництва, наприклад для крем-шевих пластин [1]. Гравiрування найчастше наносять на метал (зазвичай на вироби з вуг-лецево! i нержавко! сталi), керамшу, оргскло й акрил.
Поверхневий кольоровий контраст у не-металевих матерiалах виникае у випадку фо-тохiмiчного впливу на поверхню матерiалу, що маркуеться. Цей тип маркування застосо-вуеться переважно для неметалiв, якi знебар-влюються тд дiею УФ-випромiнювання.
В основi кольорового маркування металiв е процес утворення на поверхш зразка плiвок з оксидiв i нiтридiв оброблюваного матерiалу пiд впливом лазерного випромшювання. Ок-сиднi плiвки формуються тд час лазерного оброблення на вщкритому повiтрi. Для отри-
мання штридних плiвок метали обробляють у спецiальнiй камерi з пiддувом азоту. В обох випадках колiр плiвки залежить вщ И хiмiч-ного складу i товщини. На практицi частiше створюють оксиднi плiвки, оскiльки цей процес не вимагае спецiального технологiч-ного оснащення для азотування.
Оксидш плiвки формуються в результатi однорщного нагрiвання поверхнi металу, що стимулюе процес його окислення. Такий метод застосовуеться ще з давшх часiв в мета-лурги для художнього та промислового об-роблення металевих виробiв.
Однак лазерна технолопя отримання ко-льорових оксидних плiвок мае декiлька знач-них переваг, зокрема швидюсть i локальнiсть впливу, а також високу точнють оброблення. Це досягаеться завдяки невеликому (десятки мiкрометрiв) дiаметру лазерного променя та використанню високоточних швидкiсних систем сканування.
Поява кольору та його змша зумовлеш ш-терференцiею свiтла, яке виникае в результа-тi складання хвиль, що вщбиваються вiд по-верхневого шару оксидно! плiвки та поверхш самого металу. У цьому випадку зi зростан-ням товщини оксиду послщовно виникають умови гасiння промешв з тiею чи iншою до-вжиною хвилi, в результатi чого колiр плiвки може змiнюватися вщ фiолетового до черво-ного. Однак на колiр плiвки впливае також i ступiнь шорсткостi поверхнi металу.
Щц час маркування плавленням матерiал досягае його температури, i через хiмiчний розпад, ефекти окислення або змшу в повер-хневiй морфологи виникае видиме маркування. Цей метод не е популярним тд час маркування металевих поверхонь саме через низький контраст.
Гравiрування поверхш з оплавленням -комбшащя видалення матерiалу з оплавленням, яке зосереджуеться в основi гравiрова-ного каналу.
Мета i постановка завдання
Метою дослщження е розроблення режи-мiв кольорового лазерного маркування (по-верхневий кольоровий контраст) корозостш-ко! сталi за допомогою лазерiв рiзних типiв.
Для досягнення ще! мети були поставленi такi завдання:
1) проведення розрахувань температурно-часових параметрiв випромiнювання у випадку використання лазерiв рiзних типiв;
2) вивчення впливу параметрiв лазерного випромшювання на колiр поверхнi сталi;
3) розроблення режимiв кольорового маркування стат волоконним лазером.
Розроблення технологи лазерного кольорового маркування сталей
Основними параметрами, що характери-зують лазерне випромшювання, е потужшсть, довжина хвилi випромiнювання, три-валють впливу випромiнювання, енергiя i частота проходження iмпульсiв, а також ко-герентнiсть, спрямованiсть, монохроматич-нiсть i поляризацiя випромiнювання.
Бiльшiсть лазерних технологш базуеться на тепловiй дп випромшювання, тобто на необ-хiцностi на^вання об'екта впливу до задано! температури. Отже, головною характеристикою лазера, який використовуеться в таких те-хнологiях, е його потужшсть. Для iмпульсних лазерiв розглядають потужшсть в iмпульсi та середню потужшсть, яка залежить вщ тривало-сп та частоти проходження iмпульсiв.
Як змшш параметри в цiй робот обрано довжину хвилi випромiнювання, яка визна-чаеться типом лазера, потужнютю випромь нювання та тривалiстю лазерного впливу, що залежить вщ тривалосп iмпульсiв, частоти !х проходження та швидкосп перемiщення лазерного випромшювання вздовж поверхш оброблюваного матерiалу.
На сьогодш з технологiчною метою вико-ристовуються три типи лазерiв: газов^ твердо-тiльнi i волоконнi. Газовi СО2-лазери, потужш-стю понад 1 кВт, надшш в експлуатацi!, вони мають автоматизовану систему керування те-хнолопчним комплексом та застосовуються для рiзних технологiчних операцiй, зокрема для маркування. Однак висока вартють таких комплекшв та !х низька продуктивнють пщ час оброблення металiв обмежують застосування цих лазерiв [3, 4].
Твердотшьш лазери, насамперед на алю-мо-iтрiевому гранатi (Nd3+:YAG-лазери), ма-ють, порiвнюючи з газовими, декiлька переваг. Вони бшьш компактнi та мають бшьш високi значення коефiцiента корисно! дi!. Одночасно з цим YAG-лазери бiльше кош-тують i вимагають великих експлуатацшних витрат. Для маркування використовуються YAG-лазери, що працюють як в безперерв-ному, так i в iмпульсному режимi.
На сьогодш найперспектившшими техно-логiчними шструментами е волоконнi лазери. До !хшх переваг належить висока ефек-тивнiсть (до 50 %), що веде до бшьш низьких експлуатацшних витрат, а невелик розмiри дозволяють легко вбудовувати !х до системи виробництва.
У цш роботi дослiдження проводились саме на цих типах лазерiв та на установках
Trotee 8003 Speedy C40 на 6a3Í СО2-лазера (X = 10,6 мкм, середня потужшсть у безпере-рвному режимi дорiвнюe до 20 Вт), JQ-YAG-50 на ochobí Nd:YAG лазера (X = 1,06мкм, середня потужнiсть дорiвнюe до 50 Вт), мшь Маркер2 на основi iтербieвого волоконного лазера (X = 1,03мкм, середня потужшсть до-рiвнюe до 20 Вт).
Лазерне кольорове маркування можна створити на металл здатному до окислення, тобто на будь-якому металi чи сплаву за ви-нятком золота та металiв платиново! групи. Оксидна плiвка, утворена пiд час лазерного на^вання на поверхнi активних металiв, е нестiйкою i з часом тьмяше через подальше атмосферне окислення.
Яюсне та стiйке кольорове маркування можна одержати лише на металах, що паси-вуються, тобто на таких, що мають свою щiльну оксидну плiвку, наприклад на неiржа-вкiй стат, алюмшп, титанi та !хшх сплавах. У робот як матерiал для дослщження була об-рана корозостшка сталь марки 12Х18Н10Т пiсля електрополiрування (стан поставляння). Сталь 12Х18Н10Т - неiржавка титаномiстка аустенiтного класу. I! хiмiчний склад регла-ментований ГОСТом 5632-72.
Пiд час нагрiвання матерiалу до певних температур на його поверхш утворюються оксиднi шари рiзно! товщини. Залежно вiд товщини шару виникають умови поглинання променiв з тею чи iншою довжиною хвилг Внаслiдок цього можна спостерiгати кольори мшливосп на поверхнi металу. Залежно вщ температури нагрiвання матерiалу змшю-ються i параметри оксидних шарiв, а отже, змiнюеться i колiр поверхнi.
Для теоретичних розрахункiв параметрiв лазерного випромiнювання необхiдно знати залежнють кольору вiд температури нагрь вання поверхш. Для цього був проведений експеримент, тд час якого зразки з корозос-тшко! сталi на^валися в лабораторнiй тер-мiчноl печi СНОЛ/11 за температури вiд 300 до 700 °С з штервалом 50 °С. Пiсля фотогра-фування зразюв була розроблена шкала за-лежностi кольору вiд температури (рис. 2).
Рис. 2. Шкала залежност кольору вщ температури
Для подальших дослiджень було обрано температури 400, 500, 600 i 650 °С, оскiльки саме за цих температур можна отримати бiльш насиченi кольори.
Далi необхiдно було пiдiбрати параметри лазерного випромшювання таким чином, щоб поверхня матерiалу нагрiвалася саме за цих температур, оскшьки змiна температурного режиму навггь на 20°С може змiнити колiр. Попереднiй розрахунок температурно-часових параметрiв випромiнювання здшс-нювався за рекомендацiями [5].
Згщно з розрахунками, для досягнення поставлено! мети потужшсть випромшювання повинна дорiвнювати 16,5-20 Вт у безпе-рервному режима Точно розрахувати поту-жностi та тривалiсть впливу неможливо, оскшьки формули не враховують товщину матерiалу, змiну його поглинально! здатност в процесi оброблення, можливiсть оброблен-ня у декiлька етапiв. Тому точний пiдбiр па-раметрiв лазерного випромшювання здшс-нювався експериментальним шляхом.
Дослщження продемонстрували, що вико-ристання СО2-лазера е недоцiльним не тшьки для створення кольорового маркування, а й для гравiрування. Обробленi дiлянки мали вигляд гравiрування з оплавленням i обвуглюванням. Необхiдно зазначити, що випромiнювання СО2-лазерiв е бiльш складним процесом, що набагато важче пщдаеться тимчасовому i прос-торовому перетворенню, н1ж випромшювання твердотшьних лазерiв [3]. Це значно усклад-нюе застосування СО2-лазерiв в iмпульсному режимi для лазерного маркування.
ПЩ час експериментiв iз застосуванням Nd:YAG-лазера було отримано поеднання гра-вiрування з частковим кольоровим контрастом. Жоден з дослщжених режимiв не дозволив отримати повнокольорного маркування, оскь льки на всiх зразках оксидш плiвки були сiро-чорного кольору рiзно! насиченостi, iнодi iз блакитним вiцтiнком, оброблена поверхня мала досить виражений рельеф. На рис. 3 подано фрагмент поверхш, оброблено! за середньо! потужносп 17 Вт i швидкостi оброблення 5 мм/с. Частота проходження iмпульсiв змiню-валась в1д 20 (зразок 1) до 2 (зразок 2) кГц.
Встановлено, що зменшення частоти ро-бить рельеф поверхш грубшим, а зображен-ня стае бшьш темним. Зокрема змши е не-значними i не дозволяють сподiватися на створення кольорового зображення.
На рис. 4 поданий процес впливу швидко-сп оброблення за частотою проходження iм-пульсiв 12 кГц (рядок 1), 18 кГц (2) та 20 кГц (3). У кожному рядку швидюсть оброблення
зростала вщ 10 до 60 мм/с. Як зазначена на рис. 4, швидюсть сканування також незнач-ною мiрою впливае на результат оброблення.
Рис. 3. Вплив частоти проходження iMnym-ав на колiр та рельеф поверхш
Рис. 4. Вплив швидкосп сканування на колiр
та рельеф поверхш
Пюля фотографування зразкiв був отри-маний код кольору в графiчномy редакторi CorelDRAW. У подальшiй робой може бути розроблена таблиця залежносп коду кольору вщ параметрiв випромшювання, шсля чого такий тип маркування можна використовува-ти як у виробнищи (штрих-коди, серiйнi номери тощо), так i для декоративно! продукцп (створення рiзних монохроматичних орнамента i рисyнкiв).
Порiвняння рельефу зразюв, оброблених за рiзними режимами (рис. 5), демонструе, що змша параметрiв в дослiджених межах не дозволяе одержати кольорове зображення за допомогою гравiрyвального приладу на базi Nd:YAG-лазера. Водночас результати цих дослщжень можуть бути використанi для гравiрyвання монохромних зображень.
Отримати кольорове маркування вдалося тiльки за допомогою волоконного лазера (рис. 6). Особливосп конструкцп приладу Мь нi-маркер 2 на основi iтербiевого волоконного лазера дозволв здшснювати оброблення за умов постшних параметрiв (потужнiсть -20 Вт, частота проходження iмпульсiв -20 кГц), змшюючи кiлькiсть iмпульсiв в точку. Подаючи 5, 10 i 20 iмпульсiв в точку, мо-жна отримати жовтий, червоний i синьо-сiрий кольори без змши шорсткостi поверхнi.
б
Рис. 5. Рельеф поверхш за рiзних режимiв оброблення: а - частота проходження iм-пульсiв - 4 кГц, швидюсть оброблення -5 мм/с, б - частота проходження iмпуль-шв - 12 кГц, швидюсть оброблення -20 мм/с
б
Рис. 6. Залежнють кольору поверхш вщ юль-кост iмпульсiв: а - 5 iмпульсiв, б - 10, в -15 iмпульсiв в точку
Отримаш кольори, згiдно зi шкалою залежносп кольорiв вщ температури, вщповщають температурам 400, 500 i 700 °С. Вщомо, що колiр оксидно! плiвки залежить вщ температури поверхш i хiмiчного складу матерiалу. У методицi визначення температури поверхш пщ час процесу iмпульсного оброблення, наведе-нiй в [4], довжина хвилi випромiнювання вра-ховуеться опосередковано: вона впливае на поглинальну здатнють матерiалу. Можна було б припустити, що за близьких значень довжини хвиль випромшювання твердотшьного i волоконного лазерiв можуть бути отриманi однако-вi результати, але волоконнi лазери мають бiльш високу якiсть пучка М2, що i дозволило отримати в процес багатоiмпульсного оброблення рiзнi кольори.
Важливою характеристикою обробляння е також iнтервал сканування, що визначае вщ-
а
а
в
стань мiж лшями обробляння, тобто так званий подш зображення. На рис. 7,а наведений результат лазерного обробляння тд час ска-нування металево! поверхш з роздiльною здатнiстю 20 лшш/мм. У цьому випадку рисунок кожно! лiнi! створюеться незалежно вщ iнших i пiдсумкове зображення форму-еться послiдовно, тобто лiнiя за лшею. Для створення плiвки однородного кольору тов-щина лiнi! повинна вардаватися в межах вiд 20 до 50 мкм. На цьому зображенш, отрима-ному за допомогою сканувального електрон-ного мiкроскопа, мгж лiнiями сканування мо-жна побачити поверхню вихiдного матерiалу, однак неозброеним оком вона непомггна.
а
Рис. 7. Лазерне кольорове маркування з под>
лом 20 (а) i 30 лшш/мм (б)
Пiд час лазерного обробляння можливий такий режим сканування, за яким вщбувати-меться перекриття лiнiй руху пучка лазера (рис. 7, б). У цьому випадку подш складае 30 лшш/мм. Оксидний шар формуеться за ра-хунок акумуляцi! енергi! сусiднiх лшш. Орип-нального матерiалу м1ж лшшми в цьому випадку не залишаеться, тому колiр оброблено! поверхш е бшьш однорщним, шж у разi сканування з роздшьною здатнiстю 20 лiнiй/мм. Од-нак у випадку використання цього методу крайш лiнi! в сформованому таким чином зображенш вiцрiзняються за кольором вщ iнших, оскiльки кiлькiсть одержувано! ними енергi! вiцмiнна вщ кшькосп енергi!, що припадае на решту площi оброблено! лазером поверхнi.
Висновки
1. Дослщження продемонстрували, що ви-користання СО2-лазера е недоцiльним не тшь-ки для створення кольорового маркування, а й для гравiрування.
2. Пщ час поведення експериментiв iз за-стосуванням Nd:YAG-лазера було отримано поеднання гравiрування з частковим кольо-ровим контрастом.
3. Твердотшьний Nd:YAG-лазер може ви-користовуватися для гравiрування на поверхш металу та для отримання монохромних зображень на сувешрнш продукцi!.
4. Повнокольорове лазерне маркування може бути одержано тшьки за допомогою волоконного лазера.
5. Колiр маркування визначасться перева-жно кiлькiстю iмпульсiв в точку.
Лггература
1. Вейко В. П., Метев С. М. Лазерные технологии
в микроэлектронике. София: Изд-во Болг. АН, 1990. 361 с.
2. Горный С. Г., Емельченков И. Р. Лазерная технология и ее применение в металлообработке. Ленинград: ЛДНТП, 1990. С. 42-47.
3. Веденов А. А., Гладуш Г. Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. Москва: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.
4. Emmelmann C.. Introduction to Industrial Laser Materials Processing. Hamburg: Rofin-Sinar 1998. 180 p.
5. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А.
И. Технологические процессы лазерной обработки. Москва: Высшая школа, 1988. 159 с.
References
1. Veyko V. P., Metev S. M. Lazernyie tehnologii v mikro-elektronike [Laser technology in microelectronics], Sofia: Bulgarian Publishing House. AN, 1990, 361 p. (In Russian).
2. Gornyiy S. G., Emelchenkov I. R. Laser technology and its application in metal processing]. Leningrad, LDNTP, 1990. Рр. 42-47 (In Russian).
3. Vedenov A. A., Gladush G. G. Fizicheskie prot-sessyi pri lazernoy obrabotke materialov [Physical processes in laser processing of materials], Moscow, Energoatomizdat, 1985. 208 p. (In Russian).
4. Emmelmann C.. Introduction to Industrial Laser Materials Processing. Hamburg: Rofin-Sinar, 1998. 180 p.
5. Grigoryants A. G., Shiganov I. N., Misyurov A. I. Tehnologicheskie protsessyi lazernoy obrabotki [Laser Processing Technological Processes], Moscow, High school, 1988. 159 p. (In Russian).
Афанасьева Ольга Валентишвна, к.т.н., доцент кафедри фiзичних основ електронно! техшки, тел.: (+38) 096-525-62-35, e-mail: 7584839@ ukr.net, Харшвський нацюнальний ушверситет радюелектроники, пр. Науки, 14, м. Харшв, 61166, Украша,
Лалазарова Натал1я Олекспвна, к. т. н., доцент кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел.: (+057) 707-37-92,
e-mail: lalaz1932@ gmail.com, Харшвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 25, вул. Я. Мудрого, м. Харшв, 61002, Украша.
Technology of laser color marking for steels Abstract. Problem. Color marking of steel was performed while maintaining surface quality with lasers of various types. The basis of the color marking of
metals is the process of formation on the surface of the sample the films of the oxides and nitrides of the material under the influence of laser radiation. The color of the film depends on its chemical composition and thickness. Goal. The goal is development of modes of color laser marking of steel with the help of lasers of different types. Method. Color marking of corrosion-resistant steel was performed using a CO2 laser, solid-state and fiber lasers. Results. The effect of laser radiation parameters on the surface color was studied. Studies have shown that full-color marking can only be done with a fiber laser. On the basis of preliminary calculations of the temperature-time parameters of radiation and the experiments performed, it is established that the color of the marking is determined mainly by the number of pulses per point. Scientific novelty. Modes of color marking of steel with a fiber laser while preserving surface roughness are developed. Practical significance. It can be used in microelectronics for marking workpieces, products and equipment at all stages of development and production.
Key words: color laser marking, laser engraving, pulse laser radiation, solid solid laser, fiber laser, pulse frequency.
Afanasieva O., PhD, Associate Professor, Physical Foundations of Electronic Engineering Department, tel. (+38) 096-525-62-35, e-mail: 7584839@ukr.net, Kharkiv National University of Radio Electronics, Science Avenue, 14, Kharkiv, 61166, Ukraine. Lalazarova N. PhD, Associate Professor, Department of Technology of Metals and Materials Science, tel. (057) 707-37-92, e-mail: lalaz1932@gmail.com, Kharkiv National Automobile and Highway University, Yaroslava Mudrogo str., 25, Kharkiv, 61002, Ukraine.
Технология лазерной цветной маркировки сталей
Аннотация. Проведена цветная маркировка коррозионно-стойкой стали с помощью лазеров различных типов. В основе цветной маркировки металлов лежит процесс образования на поверхности образца пленок из оксидов обрабатываемого материала под воздействием лазерного излучения. Установлено, что полноцветная маркировка может быть получена только с помощью волоконного лазера. На основе предварительных расчетов температурно-временных параметров излучения и проведенных экспериментов установлено, что цвет маркировки определяется в основном количеством импульсов в точку.
Ключевые слова: цветная лазерная маркировка, лазерная гравировка, импульсное лазерное излучение, твердотельный лазер, волоконный лазер, частота следования импульсов.
Афанасьева Ольга Валентиновна, к.т.н., доцент кафедры основ электронной техники, тел.: (+38) 096-525-62-35,
e-mail: 7584839@ukr.net, Харьковский национальный университет радиоэлектроники, пр. Науки, 14, г. Харьков, 61166, Украина. Лалазарова Наталия Алексеевна, к.т. н., доцент кафедры технологии металлов и материаловедения, тел.: (057) 707-37-92,
e-mail: lalaz1932@gmail.com, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, ул. Ярослава Мудрого, 25, г. Харьков, 61002, Украина.
