CN107186352A - 一种用于不锈钢的激光彩色打标方法 - Google Patents

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陈兵
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    • B23K26/36—Removing material
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Abstract

本发明涉及激光打标技术领域，特别是涉及一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，所述用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：在不锈钢表面形成金属氧化膜；在金属氧化膜上涂覆变色涂料，得到变色层；利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记。利用本发明方法在不锈钢表面上所打出的、具有立体感的标识、色彩丰富，其寿命长，标识的耐久性好。

Description

一种用于不锈钢的激光彩色打标方法
技术领域
本发明涉及激光打标技术领域，特别是涉及一种用于不锈钢的激光彩色打标方法。
背景技术
激光产业的出现推动了光电产业的发展，是信息产业的支柱产业。据前瞻产业研究院测算，2014年国内激光产业市场规模在1300亿元左右。到2016年近期目标时，激光光产业产值预计超4000亿元，增加值上千亿元。激光产业园已建的和正在兴建的已超过16个。我国目前激光企业有3000家以上。激光产业正处于高速增长期。
激光打标是利用激光的热效应烧蚀掉物体表面材料从而留下永久标记的技术。与传统的电化学、机械等标记方法相比具有无污染、高速度、高质量、灵活性大、不接触工作等优点。近年来，激光打标已经在很多领域取代传统的打标方式而成为常规的加工方式，甚至形成新的工业标准。激光打标机是综合了激光、光学、精密机械、计算机等技术于一体的机电一体化设备。它主要由激光器、光学系统和控制器组成，其中控制器是核心部件。控制器经历了硬件数控（NC）和计算机数控（CNC）两个发展阶段，90年代以来，随着计算机技术的飞速发展，性价比不断提高，基于计算机的数控系统已成为控制系统发展的主流。
激光器用于打标应用已经被工业各部门广泛接受，由此对激光彩色打标技术提出了更高的要求。英国国际镍公司的一个研究机构开发了的INCO法，这种方法的要点是将不锈钢放在强氧化性浴中加热，使其表面形成有一定厚度的氧化膜，膜的上下两个表面所反射的光发生干涉，使之具有彩色效果，随着加热时间的延长，膜的厚度逐渐增加，就会显示不同的颜色。但这种方法 的缺点是只能产生一种颜色的图案，即使使用了色素添加剂，也不可能产生不同的色彩，因而最终的效果通常保持单色。现有彩色打标方法基于这种化学方法发展而来，在待标记物的表层材料上施加激光束，控制激光束能量和脉冲参数，从而产生不同厚度的氧化膜，当厚度与某种色彩的波长相应时，由薄膜干涉可得到这种色彩的彩色效果。但现有彩色打标方法仅仅适合于制造出包含2～3 种色块的图案，当待标记图案由更多颜色或高分辨率的色点组成时，因为难以 控制激光束的持续变换而无法完成。因此实际上现有技术只能打出“多色”，而 无法实现“真彩色”效果。而且现有技术也无法控制色彩深浅。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，它具有色彩纯正，且不会影响基材的性能，提高了打标效率，降低了打标成本。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
（1）在不锈钢表面形成金属氧化膜；
（2）在金属氧化膜上涂覆变色涂料，得到变色层；
（3）利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记。
金属膜的厚度也是影响颜色波长值，膜厚的增加也对应着颜色波长值的增加。为了使激光能够融透金属膜层，优选的，所述金属氧化膜的厚度为100~500nm。为了便于激光对其融透，使得在晶片表面上形成的标记线条清晰，优选的，所述的金属膜层被制成250~350nm厚度。
作为优选，所述金属氧化物膜层的材料包括氧化铬、氧化铝、氧化铜、氧化锌、氧化锡中的至少一种。与它们的金属单质相似，金属氧化物在被激光融化过程中所释放出的潜热也较高，易于在不锈钢表面烧蚀出具有立体感的标记。
本发明对金属氧化膜的制备方法没有特殊的要求，只要能够在不锈钢表面形成金属氧化膜即可，可以为所述领域技术人员所知，例如，所述金属氧化膜的制备方法可以为磁控溅射法、多弧离子镀、电子束蒸发法、溶胶凝胶法、等离子加强的化学气相沉积中的至少一种。所述磁控溅射法制备金属氧化膜的方法为：
(1)依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗；
(2)将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；
(3)将不锈钢偏压降至-500V，开启金属靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积金属氧化物获得金属氧化物层，沉积时间10min。
此外，采用多弧离子镀、电子束蒸发法、溶胶凝胶法、等离子加强的化学气相沉积等方法制备金属氧化物也均为现有技术，其具体的制备步骤本发明不再赘述。
为了丰富打标后标记的色彩，本发明采用金属氧化物和变色涂料复合，在不锈钢表面形成氧化物膜层后，再在氧化物膜层的表面涂覆变色涂料，优选的，所述变色涂料包括有机光致变色化合物、树脂和有机溶剂。
有机光致变色化合物是指受到一定波长的光照射时，发生特定的化学反应，产物由于结构的改变导致其吸收光谱发生明显的变化(颜色改变)，而在另一波长的光照或热的作用下，又能恢复到原来的结构形式的一种化合物。本发明中，所述有机光致变色化合物为螺吡喃类化合物、螺噁嗪类化合物、苯并吡喃类化合物、俘精酸酐类化合物、偶氮类化合物、二芳基乙烯类化合物、苯胺衍生物、多环醌类化合物、紫精类化合物、多环芳香族化合物中的至少一种。
树脂能够在激光作用下发生烧蚀，产生立体图案，为了减少树脂对光的吸收，优选的，本发明采用无色透明的树脂，所述树脂为聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、有机硅树脂中的至少一种。
有机溶剂是物质反应的载体，本发明对其没有特殊的要求，只要能够与树脂具有相容即可，可以为所述领域技术人员所知，优选的，所述有机溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、磷酸三乙酯、丙酮、三氯甲烷、甲苯、乙醇、醋酸、乙酸乙酯、甲酸、氯仿、四氢呋喃和二甲基亚砜中的至少一种。
优选的，所述变色层的厚度为500nm~2μm。
在激光打标工艺中，打标机的电流、脉冲激光频率、脉冲宽度、打标速度、打标次数是影响打标效果的最重要因素。如提高脉冲频率有利于实现彩色打标，且脉冲重复频率值越大，越容易生成明亮度较高的彩色氧化膜层，所述脉冲重复频率为0~100kHz。但是因为受到最大激光输出功率的影响，当脉冲重复频率大于60kHz时，输出单脉冲激光能量较小，改变脉冲重复频率已经无实际意义，优选的，所述脉冲重复频率为30~60kHz。
当脉冲宽度越短时，对生成的颜色影响也就越大，及微小的脉宽值变化，会穿线颜色较大的变化，优选的，所述脉宽为0.5~2μs。
电流与激光功率呈线性关系，电流越高，输出激光功率就越高，优选的，所述打标机电流为10~16A，打标速度为50mm/s。
本发明提出一种用于不锈钢的激光彩色打标方法,与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明采用氧化膜与树脂复合的光致变色因子，具有更加丰富的色彩；
2、本发明中复合光致变色因子随激光能量的变化，显示出多种不同的颜色，色彩绚丽；
3、利用本方法在不锈钢表面上所打出的、具有立体感的标识，其寿命长，标识的耐久性好。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启铝靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为300nm的氧化铝薄膜，沉积时间10min。
在氧化铝上涂覆变色涂料，得到变色层，所述变色涂料的制备方法为将苯并吡喃类化合物、聚氨酯树脂乳液在四氢呋喃N,N-二甲基乙酰胺中混合均匀，得到变色涂料，所述变色涂料在氧化铝薄膜上的厚度为500nm；
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为45kHz，脉宽为2μs，打标机电流为12A，打标速度为50mm/s。
实施例2
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启钛靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为250nm的氧化铝薄膜，沉积时间8min。
在二氧化钛上涂覆变色涂料，得到变色层，所述变色涂料的制备方法为将螺噁嗪类化合物、有机硅树脂在N,N-二甲基乙酰胺中混合均匀，得到变色涂料，所述变色涂料在二氧化钛薄膜上的厚度为1.5μm；
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为30kHz，脉宽为1.5μs，打标机电流为16A，打标速度为50mm/s。
实施例3
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启锡靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为350nm的氧化锡薄膜，沉积时间12min。
在二氧化锡上涂覆变色涂料，得到变色层，所述变色涂料的制备方法为将多环醌类化合物、聚氨酯树脂乳液在二甲基乙酰胺中混合均匀，得到变色涂料，所述变色涂料在二氧化锡薄膜上的厚度为1μm；
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为60kHz，脉宽为2μs，打标机电流为10A，打标速度为50mm/s。
实施例4
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启锌靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为100nm的氧化锌薄膜，沉积时间5min。
在二氧化锌上涂覆变色涂料，得到变色层，所述变色涂料的制备方法为将二芳基乙烯类化合物、有机硅树脂在N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，得到变色涂料，所述变色涂料在二氧化锌薄膜上的厚度为2μm；
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为40kHz，脉宽为1μs，打标机电流为12A，打标速度为50mm/s。
实施例5
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启钛靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为500nm的氧化铝薄膜，沉积时间25min。
在二氧化钛上涂覆变色涂料，得到变色层，所述变色涂料的制备方法为将俘精酸酐类化合物、丙烯酸酯树脂在乙酸乙酯中混合均匀，得到变色涂料，所述变色涂料在二氧化钛薄膜上的厚度为500nm；
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为50kHz，脉宽为0.5μs，打标机电流为15A，打标速度为50mm/s。
对比例1：
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启铝靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为300nm的氧化铝薄膜，沉积时间10min。
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为45kHz，脉宽为2μs，打标机电流为12A，打标速度为50mm/s。
对比例2：
一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，包括以下步骤：
依次用丙酮和无水乙醇对不锈钢表面超声清洗,将超声清洗后的不锈钢用吹风机吹干放入多户离子镀炉腔内支架上，抽真空至8×10-3Pa，通入Ar气，施加-700V负偏压引发辉光放电进行Ar离子辉光清洗，时间10min；将不锈钢偏压降至-500V，开启铝靶电流70A，通入O2，在极板表面沉积厚度为300nm的氧化铝薄膜，沉积时间10min。
在氧化铝上涂覆变色涂料，得到变色层，所述变色涂料的制备方法为将苯并吡喃类化合物在四氢呋喃中混合均匀，得到变色涂料，所述变色涂料在氧化铝薄膜上的厚度为500nm；
利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记，其中激光的脉冲重复频率为45kHz，脉宽为2μs，打标机电流为12A，打标速度为50mm/s。
表1为实施例1~5中的图标随波长变化的颜色变化.
表1：

Claims (9)

1.一种用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在不锈钢表面形成金属氧化膜；
（2）在金属氧化膜上涂覆变色涂料，得到变色层；
（3）利用激光打标机在不锈钢上需要打标的位置处发射激光，在不锈钢表面上形成彩色标记。
2.根据权利要求1所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述金属氧化膜的厚度为100~500nm。
3.根据权利要求1所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述金属氧化膜为氧化铬、氧化铝、氧化铜、氧化锌、氧化锡中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在在于，所述金属氧化膜的制备方法为磁控溅射法、多弧离子镀、电子束蒸发法、溶胶凝胶法、等离子加强的化学气相沉积中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述变色涂料包括有机光致变色化合物、树脂和有机溶剂。
6.根据权利要求5所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述有机光致变色化合物为螺吡喃类化合物、螺噁嗪类化合物、苯并吡喃类化合物、俘精酸酐类化合物、偶氮类化合物、二芳基乙烯类化合物、苯胺衍生物、多环醌类化合物、紫精类化合物、多环芳香族化合物中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述树脂为聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、有机硅树脂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、磷酸三乙酯、丙酮、三氯甲烷、甲苯、乙醇、醋酸、乙酸乙酯、甲酸、氯仿、四氢呋喃和二甲基亚砜中的至少一种。
9.根据权利要1所述的用于不锈钢的激光彩色打标方法，其特征在于，所述变色层的厚度为500nm~2μm。
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