Цветная гравировка поверхности

При гравировке сфокусированный луч с высокой плотностью лазерного излучения осуществляет локальный нагрев материала, что приводит к испарению материала или изменению его цвета в месте обработки. Таким образом, создаётся цветное изображение на поверхности с помощью цветов побежалости. Точное локальное распределение энергии лазерного излучения и высокая стабильность работы лазера позволяют создавать эффект цветной маркировки на нержавеющей стали, титане и некоторых других металлах.

Такими возможностями располагают современные излучатели, в частности, оптоволоконные лазеры (ОВ–лазеры). Их особенность в существенно более высоком качестве лазерного пучка.

Все твёрдотельные лазеры, используемые для маркировки, имеют несколько оптимизируемых параметров: частоту и длительность импульса, распределение мощности по пятну нагрева и т.д. (таблица 6.1).

Таблица 6.1

Характеристики излучения твёрдотельных лазеров маркирующих систем

БетаМаркер–2010 ДиоМаркер–Д10 МиниМаркер–М10
Марка излучателя Б–2010 DPSS–10 ILP–05/100/20
Тип излучателя Nd:YAG–лазер Nd:YAG–лазер ОВ Yt–лазер
Устройство накачки Ксеноновая лампа Диодная линейка Набор диодов

Характеристики излучателей

Длина волны, мкм 1,064 1,064 1,05–1,07
Максимальная мощность, Вт 16 10 10
Энергия в импульсе, мДж 5 1,5 0,5
Длительность импульса, нс 1000 20–70 100
Частота следования импульсов, кГц 0,1–20 1–80 20–100
Потребляемая мощность, кВт 5 1 0,7

Известно, что для лазеров, например с ламповой накачкой (система типа «БетаМаркер–2010»), оптимальный диапазон частоты при маркировке металлов составляет 2–5 кГц, а использование такой частоты в ОВ–лазере (система «МиниМаркер–М10») вообще невозможно. Если, например, сравнивать режимы маркировки в разных системах при одинаковой мощности лазерного излучения, то корректного результата мы не получим, так как временные и энергетические характеристики импульсов различны, не говоря о существенных различиях пространственных характеристик излучения.

На рис. 6.21 показано состояние поверхности нержавеющей стали после маркировки вышеупомянутыми системами при нормированных условиях обработки (одинаковое перекрытие пучков, визуально похожий результат воздействия).

Видно, что структуры после обработки имеют существенные отличия. ОВ–лазер («МиниМаркер–М10»), имея высокостабильные пространственно-временные характеристики излучения, формирует чёткую, ярко выраженную симметричную структуру (рис. 6.21 а). Лазеры с ламповой накачкой («БетаМаркер–2010») практически не позволяют сформировать периодическую структуру на металле (рис. 6.21 в), ввиду изменения пространственного распределения энергии излучения от импульса к импульсу (нестабильность этого параметра излучения может достигать 100% и более). Лазеры с диодной накачкой («ДиоМаркер–Д10») занимают промежуточное положение (рис. 6.21 б). Некоторое нарушение периодичности структуры связано, видимо, с высокой пиковой мощностью излучения и с нестабильностью, вызываемой процессами плавления и выноса продуктов разрушения из зоны взаимодействия при формировании «точки» на металле. Рис. 6.21 наглядно демонстрирует различия современных лазеров при маркировке металлов и позволяет оценить возможности каждой из систем. Можно ожидать, что лазеры с диодной накачкой (особенно ОВ–лазеры) обеспечат существенное улучшение изображений за счёт высокого разрешения.

а                                      б                                      в

Рис. 6.21. Структуры поверхности нержавеющей стали при обработке

различными системами: а – «МиниМаркер–М10» на базе ОВ Yt–лазера;

б – «ДиоМаркер–Д10» на базе Nd:YAG–лазера с диодной накачкой;

в – «БетаМаркер–2010» на базе Nd:YAG–лазера с ламповой накачкой

Изображение высокого разрешения получается при использовании систем «МиниМаркер–М10» (ОВ–лазер) и «ДиоМаркер–Д10». При этом качество растровых картинок, выполненных на металле у систем с ОВ–лазером, несколько выше, как и следовало ожидать из анализа рис. 6.21.

Нужно отметить, что использование лазерных излучателей с диодной накачкой для маркировки мелкоразмерных векторных изображений на металле предпочтительнее по сравнению с ОВ–излучателем. Это объясняется тем, что при отработке векторного алгоритма в точках смены направления движения система развёртки работает по принципу «торможение–остановка–разгон». При этом количество тепла, вводимого волоконными лазерами, существенно больше, чем лазерами с диодной накачкой, учитывая разницу в диапазоне частот. У ОВ–лазеров минимальная частота существенно выше, чем у лазеров с диодной накачкой, что вызывает в этих местах больший перегрев материала. Это приводит к нарушению геометрии при маркировке векторного изображения малого размера, особенно когда необходимо получить глубокую гравировку. Такое изображение проще сформировать лазером с диодной накачкой, так как он использует более низкие частоты. При решении аналогичной задачи ОВ–лазером в местах смены направления движения включают функцию понижения/повышения мощности в соответствии с изменением скорости, но это усложняет технологию и оборудование. При относительно больших размерах изображений существенного различия между системами нет. Однако производительность у ОВ–лазера выше за счёт более высоких частот.

При гравировке изображений с высоким разрешением на пластике существенных различий между системами с ОВ–лазером и Nd:YAG–лазером с диодной накачкой нет. В обоих случаях качество маркировки очень высокое.

Эффект цветной маркировки некоторых металлов и сплавов формируется стандартными режимами только у систем с ОВ–лазерами. Стабильность пространственно-временных характеристик излучения этих лазеров даёт возможность точно дозировать энергию пучка и формировать чёткие структуры на поверхности металла с небольшим разбросом геометрических параметров. Именно высокое качество и стабильность характеристик излучения позволяют получить устойчивый эффект цветной маркировки. Поскольку суть цветной маркировки – образование оксидных пленок соответствующего состава на поверхности материала, то этот эффект наблюдается только на тех металлах и сплавах, которые способны образовывать цветные окислы. Это могут быть, например, железо, титан и их сплавы, цирконий и др. Как показано в таблице 6.2, параметром, характеризующим образование оксидной плёнки той или иной структуры и цвета, может служить интеграл от температуры поверхности мишени по времени (Φ).

Таблица 6.2

Интегральная температура и цвет поверхности нержавеющей стали

Цвет поверхности, воспринимаемый невооружённым глазом P, Вт V, мм/с F, кГц Φ, К·с

Красный

6,5 50 85 1,12
6,5 45 100 1,30
4,0 30 100 1,25
3,0 17 53 1,29

Голубой

6,5 90 75 0,51
5,4 60 35 0,56
4,0 50 40 0,49
2,8 60 65 0,57

Жёлтый

5,4 35 55 1,09
4,1 40 50 1,06
3,0 35 65 1,04

Как видно из таблицы 4.2, каждому цвету соответствует своё значение интегральной температуры, которое при широком изменении параметров режима (мощности, скорости, частоты) лежит в узком диапазоне: для красного цвета 1,12–1,30, для голубого 0,49–0,57, для жёлтого 1,04–1,09. Это напоминает закон Бунзена–Росно (в фотохимии): количество продукта фотохимической реакции определяется общим количеством энергии падающего излучения, то есть произведением мощности излучения на время действия или обобщённым параметром – экспозицией (количеством освещения). При этом фотохимический эффект не меняется для различных значений обобщённого параметра.

Цветная маркировка может быть получена и с помощью лазеров с диодной и даже с ламповой накачкой. Однако этот эффект неустойчивый («плавающий») и трудно воспроизводимый. Условие постоянства интегральной температуры является, видимо, необходимым, но для получения эффекта цветной маркировки требуются дополнительные условия, связанные с пространственно-временными характеристиками излучения и их стабильностью. Именно эти последние условия выполняются у ОВ–лазеров, что и определяет возможность получения цветной маркировки (рис. 6.22).

Рис. 6.22. Цветные изображения при маркировке системой «МиниМаркер–М10» с ОВ–лазером (полированная нержавеющая сталь)

Компания ЗАО НИИ ЭСТО, г. Зеленоград, также предлагает лазерные системы, позволяющие осуществлять цветную маркировку поверхности оксидообразующих металлов и сплавов (рис. 6.23).

Рис. 6.23. Цветная маркировка на поверхности нержавеющей стали, полученная с помощью лазерного комплекса МЛП2 3D–Turbo Цветная гравировка поверхности - №8 - открытая онлайн библиотека

Маркировка бриллиантов

Современное развитие лазерной техники и совершенствование параметров лазерного излучения, разработка принципиально новых лазерных излучателей открыло возможности маркирования бриллиантов. По сообщениям в журнале «Ювелирное обозрение» американский институт геммологии с целью улучшения характеристик рынка бриллиантов приступил к лазерному маркированию бриллиантов весом от 0,99 карат. Аналогичные работы проводятся и в России. Так на рис. 6.24 приведён пример нанесения изображения на синтетический алмаз, который по физико-химическим свойствам очень близок к натуральному камню и является хорошим модельным материалом для исследования технологического процесса маркировки бриллиантов. Поскольку размер хорошо идентифицируемых знаков на приведённом рисунке составляет около 125×10–6 м, то открывается возможность маркировки по рундисту бриллиантов от 0,2 карат, так как размер рундиста при этом составляет около 200×10–6 м.

Цветная гравировка поверхности - №9 - открытая онлайн библиотека   Рис. 6.24. Внешний вид маркировки синтетического алмаза

Клеймение

Клеймение является разновидностью лазерной маркировки, когда изображение формируется на металле в результате проецирования предварительно созданного рисунка лазерным лучом. Такой метод позволяет легко получать на металле клейма небольших размеров и применяется для постановки именников предприятия-изготовителя изделия и пробирных клейм. Высокое разрешение позволяет получать изображения с высокой степенью защиты от воспроизведения (подделки).

Клеймо на изделии одновременно является знаком его качества. Лазерная технология нанесения клейма не приводит к потере качества изделий, не требует операций заправки клейма, обладает высокой производительностью и эргономичностью. Особенно эффективно применение лазерного клеймения на легковесные и тонкостенные изделия из драгоценных металлов.

Все больший круг ювелирных компаний использует лазерное клеймение не просто как дополнительную защиту (сертификационный номер), но и как некоторый творческий элемент украшения: логотип компании и индивидуальные надписи по просьбе заказчиков изделий.

К недостаткам лазерного клеймения можно отнести относительно небольшую глубину формирования рисунка клейма, особенно при экономии мощности лазерного излучения. Это при проведении последующих финишных операций, которые часто необходимы после прохождения пробирного надзора и простановки клейм, особенно при использовании турбогалтовочных операций, может приводить к утере клейм.