CN108637486A - 金属彩色打标系统及打标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种金属彩色打标系统及打标方法。所述金属彩色打标系统包括加工平台、光纤激光器、激光振镜、透镜和打标控制系统；加工平台用于放置金属样品；光纤激光器用于发射激光束；激光振镜用于控制用于控制激光束的偏转；透镜用于使激光束聚焦至金属样品表面；打标控制系统用于控制激光的发射和发射参数以及激光振镜的扫描参数。本发明的金属彩色打标系统通过光纤激光器产生激光束，并顺次通过激光振镜及透镜作用于金属表面，打标控制系统能够控制激光的发射并调整其发射参数及激光振镜的扫描参数，通过调整并组合多个参数，可以在金属表面形成不同厚度的氧化膜，得到具有彩色效果甚至彩色图案表面的金属。

Description

金属彩色打标系统及打标方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种金属彩色打标系统及打标方法。

背景技术

激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。目前金属的激光器彩色打标技术通常利用Nd:YAG等固体激光器，固体激光器温度效益比较严重、发热量大，需要配设水冷装置才能保证固体激光器的正常连续使用，且固体激光器转换效率相对较低；此外，现有的金属激光多变量彩色打标技术一般仅通过改变一个参数来调整加工效率及色彩，因此加工效率低、色彩组合性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属彩色打标系统及打标方法，以解决现有技术中打标系统发热量大、效率低及色彩组合性差的技术问题。

本发明提供了一种金属彩色打标系统，包括加工平台、光纤激光器、激光振镜、透镜和打标控制系统；

所述加工平台用于放置金属样品；所述光纤激光器、所述激光振镜和所述透镜顺次相连接，其中，所述光纤激光器用于发射激光束；所述激光振镜用于控制激光束的偏转，所述透镜用于使偏转后的激光束聚焦至金属样品表面；所述打标控制系统用于控制所述光纤激光器激光的发射和发射参数以及所述激光振镜的扫描参数。

进一步地，所述金属彩色打标系统还包括升降支架，所述激光振镜与所述升降支架相连接，所述升降支架用于带动所述激光振镜升降。

进一步地，所述光纤激光器和所述激光振镜之间还设置有指示激光，用于指示加工平台上金属样品应放位置。

进一步地，所述打标控制系统包括打标图案设计模块、打标参数设定模块和打标开关控制模块；

所述打标图案设计模块用于绘制欲加工的图案、文字或导入外部打标图片；所述打标参数设定模块用于设置所述激光振镜的扫描速度、扫描行间距、所述光纤激光器的激光输出功率和激光重复频率；所述打标开关控制模块用于控制所述光纤激光器的开关。

进一步地，所述透镜为F-θ透镜。

本发明还提供了一种金属彩色打标系统的打标方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100、对金属样品进行打磨、抛光及清洁，使金属样品表面粗糙度在200nm以内；

步骤200、调整所述加工平台，使所述光纤激光器的激光束依次通过所述激光振镜和所述透镜聚焦在金属样品表面；

步骤300、通过打标图案设计模块绘制待加工形状或图案；

步骤400、通过打标参数设定模块设置工艺参数，包括所述光纤激光器的激光输出功率、激光器重复频率、所述激光振镜的扫描速度和扫描行间距，再通过打标开关控制模块控制激光开始加工；

步骤500、当所有待打标区域都已完成，彩色金属表面加工完成。

进一步地，所述光纤激光器的激光输出功率为1W-6W。

进一步地，所述光纤激光器的重复频率为25kHz-80kHz。

进一步地，所述激光振镜的扫描速度为30mm/s-500mm/s。

进一步地，所述激光振镜的扫描行间距为0.004μm-0.012μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种金属彩色打标系统，包括加工平台、光纤激光器、激光振镜、透镜和打标控制系统；加工平台用于放置金属样品；光纤激光器、激光振镜和透镜顺次相连接；其中，光纤激光器用于发射激光束；激光振镜用于控制用于控制激光束的偏转；透镜用于使偏转后的激光束聚焦至金属样品表面；打标控制系统用于控制光纤激光器激光的发射和发射参数以及激光振镜的扫描参数，光纤激光器激光的发射参数包括激光输出功率和重复频率，激光振镜的扫描参数包括扫描速度、扫描行间距。本发明的金属彩色打标系统采用光纤激光器作为激光源，其产生短脉冲激光束顺次通过激光振镜及透镜作用于金属表面。打标控制系统能够控制光纤激光器激光的发射并调整其发射参数及激光振镜的扫描参数，而通过调整合适的工艺参数，并组合多个参数，可以在金属表面形成不同厚度的氧化膜，最终实现具有彩色效果甚至彩色图案表面的金属。

因此，本发明金属彩色打标系统通过采用结构紧凑、无需水冷、体积小、对环境适应性强的光纤激光器作为激光源，产生的光束质量更高、效率更高；并且通过打标控制系统以组合多参数的工艺方式实现彩色金属表面，实现高效率的金属彩色表面加工；并且通过预设多组不同颜色的工艺参数，可以实现组合多种色彩的彩色图案的一次性成型加工；此外，通过本发明的金属彩色打标系统加工后的彩色金属的粗糙度得到降低，耐腐蚀性提高，具有更好的物理化学性质。

本发明提供的金属彩色打标系统的打标方法首先对金属样品进行打磨、抛光及清洁，使金属样品表面粗糙度在200nm以内；再调整加工平台，使所述光纤激光器的激光束依次通过所述激光振镜和所述透镜聚焦在金属样品表面；之后通过打标图案设计模块绘制待加工形状或图案；再通过打标参数设定模块设置工艺参数，包括所述光纤激光器的激光输出功率、激光器重复频率、所述激光振镜的扫描速度和扫描行间距，再通过打标开关控制模块控制激光开始加工；最后当所有待打标区域都已完成，彩色金属表面加工完成。通过本发明是金属彩色打标系统的打标方法可在金属材料表面扫描加工出不同的颜色效果，最终组合出完成的彩色图案，实现激光多变量的金属彩色打标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的金属彩色打标系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的金属彩色打标系统的打标方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的激光打标后彩色金属表面样品图；

图4是本发明实施例提供的打标前金属表面三维形貌分析仪观测图；

图5是本发明实施例提供的打标后金属表面三维形貌分析仪观测图。

附图标记：

1-加工平台，2-光纤激光器，3-激光振镜，4-透镜，5-打标控制系统，6-升降支架，7-金属样品。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照图1至图5描述根据本发明一些实施例所述的金属彩色打标系统及打标方法。

本发明提供了一种金属彩色打标系统，如图1所示，包括加工平台1、光纤激光器2、激光振镜3、透镜4和打标控制系统5；

加工平台1用于放置金属样品7；光纤激光器2、激光振镜3和透镜4顺次相连接；其中，光纤激光器2用于发射激光束；激光振镜3为包括X轴方向和Y轴方向的二维扫描振镜，激光振镜3与打标控制系统5连接，通过打标控制系统5所传输信号进行控制，进而控制短脉冲光纤激光器2的激光束的位置；透镜4用于使偏转后的激光束聚焦至金属样品7表面；打标控制系统5用于控制光纤激光器2激光的发射和发射参数以及激光振镜3的扫描参数，其中，光纤激光器2激光的发射参数包括激光输出功率和重复频率，激光振镜3的扫描参数包括扫描速度、扫描行间距。

激光可以在金属表面实现彩色图案打标的原理在于：短脉冲激光在一定工艺参数下辐照在不锈钢、钛合金等金属表面，激光在金属辐照表面产生热作用，在短时间内热积累达到一定程度，就在金属表面形成一定厚度的氧化膜，薄膜由于光的干涉等光学效应，就使得金属表面呈现出颜色效果。因此本发明的金属彩色打标系统采用光纤激光器2作为激光源，其产生短脉冲激光束顺次通过激光振镜3及透镜4作用于金属表面。打标控制系统5能够控制光纤激光器2激光的发射并调整其发射参数及激光振镜3的扫描参数，而通过调整合适的工艺参数，并组合多个参数，可以在金属表面形成不同厚度的氧化膜，最终实现具有彩色效果甚至彩色图案表面的金属。

本发明金属彩色打标系统通过采用结构紧凑、无需水冷、体积小、对环境适应性强的光纤激光器2作为激光源，产生的光束质量更高、效率更高；并且通过打标控制系统5以组合多参数的工艺方式实现彩色金属表面，实现高效率的金属彩色表面加工；此外，通过预设多组不同颜色的工艺参数，可以实现组合多种色彩的彩色图案的一次性成型加工；此外，通过本发明的金属彩色打标系统加工后的彩色金属的粗糙度得到降低，耐腐蚀性提高，具有更好的物理化学性质。

在本发明的一个实施例中，优选地，金属彩色打标系统还包括升降支架6，激光振镜3与升降支架6相连接，升降支架6用于带动激光振镜3升降。

在该实施例中，金属彩色打标系统还包括升降支架6，激光振镜3固定设置于升降支架6上，用于调整振镜所处高度，从而调整短脉冲光纤激光器2的激光束的位置，使激光束能够更好的聚焦至金属样品7表面。其中升降支架6为常用的电动升降支架6或显示器用的旋转升降支架6等，具体结构不做限定。

在本发明的一个实施例中，优选地，光纤激光器2和激光振镜3之间还设置有指示激光，用于指示加工平台1上金属样品7的放置位置。

在该实施例中，光纤激光器2和激光振镜3之间还设置有指示激光，即标记红光的指示激光灯，其起到瞄准定位的作用。红色指示激光能够指示调整三维平台使材料处于合适位置，从而指示加工平台1上金属样品7应放位置。

在本发明的一个实施例中，优选地，打标控制系统5包括打标图案设计模块、打标参数设定模块和打标开关控制模块；

打标图案设计模块用于绘制欲加工的图案、文字或导入外部打标图片；打标参数设定模块用于设置激光振镜3的扫描速度、扫描行间距、光纤激光器2的激光输出功率和激光重复频率；打标开关控制模块用于控制光纤激光器2的开关。

在该实施例中，打标控制系统5包括打标图案设计模块、打标参数设定模块和打标开关控制模块；打标图案设计模块用于绘制欲加工的图案、文字或导入外部打标图片；打标参数设定模块用于实现彩色金属，设置参数主要包括：扫描速度、扫描行间距、光纤激光器2输出功率和激光重复频率，通过不同参数的组合可以在金属上实现多种颜色，可以优先利用更高的扫描速度和更大的扫描行间距实现高效彩色金属表面加工；打标开关控制模块用于控制光纤激光器2的开关。

在本发明的一个实施例中，优选地，透镜4为F-θ透镜4。

在该实施例中，F-θ透镜4结构简单、焦距小、扫描精度高、能量集中度高且相对畸变小，因此能够对激光束进行准确聚焦。

本发明的实施例还提供了一种利用上述金属彩色打标系统进行打标的打标方法，包括以下步骤：

步骤100、对金属样品7进行打磨、抛光及清洁，使金属样品7表面粗糙度在200nm以内；

步骤200、调整加工平台1，使所述光纤激光器2的激光束依次通过所述激光振镜3和所述透镜4聚焦在金属样品7表面；

步骤300、通过打标图案设计模块绘制待加工形状或图案；

步骤400、通过打标参数设定模块设置工艺参数，包括所述光纤激光器2的激光输出功率、激光器重复频率、所述激光振镜3的扫描速度和扫描行间距，再通过打标开关控制模块控制激光开始加工；

步骤500、当所有待打标区域都已完成，彩色金属表面加工完成。

在该实施例，因为金属表面平整度对激光打标过程中激光的吸收、反射等有很大的影响，因此通过步骤100对待加工金属样品7表面处理，金属材料表面处理步骤主要包括材料表面打磨和抛光，使金属表面的粗糙度小于200nm，在打标前使用丙酮酒精混合溶液对材料进行表面清洁。再通过步骤200调整加工平台1及升降支架6的高度，使光纤激光束发出的纳秒激光通过振镜和聚焦透镜4聚焦到金属表面；之后再经步骤300利用打标控制系统5的打标图案设计模块在计算机端打标软件的加工区域绘制欲加工的形状或图案。再通过步骤400根据欲实现的颜色对不同色块分别进行参数设置，首先对导入图案不同色块进行扫描填充，填充即设置振镜的扫描行间距，行间距大小根据所要加工的颜色而定，此外，再进行激光器输出功率、重复频率的设定和振镜扫描速度的设置。优选地，为实现高效率打标，选用扫描速度快、扫描行间距大的工艺参数组，激光开始加工。最后经步骤500激光在扫描振镜的控制下即可在金属材料表面扫描加工出不同的颜色效果，并依次完成各个颜色区域的打标，最终组合出完成的彩色图案，实现激光多变量的金属彩色打标。

在本发明的一个实施例中，优选地，步骤300中如果欲加工多彩的图案效果，根据图案的不同颜色划分为不同颜色块。

在该实施例中，步骤300中如果欲进行复杂彩色图案的打标，则可以通过AdobeIllustrate等矢量绘图软件进行绘制、处理，将彩图按照不同颜色分成不同的区域，将处理好后的矢量图形导入打标软件。

激光器输出功率功率、重复频率和振镜扫描速度、扫描行间距四个参数对金属彩色的效果都有显著直接影响，微量的参数变化对颜色效果都起到直接影响，因此通过同时调整上述参数，能够实现具有彩色效果甚至彩色图案表面的金属。

在本发明的一个实施例中，优选地，步骤400中所述光纤激光器2的激光输出功率为1W-6W。

在该实施例中，通过仅改变激光输出功率，可以实现部分彩色；而较低的功率可能导致激光能量密度不足，以致不能在金属表面产生可见效果，而较大的功率会增加激光在材料表面热量积蓄热量积累过多使金属表面熔化而导致打标失败，因此本发明的打标方法中激光输出功率1W—6W。

在本发明的一个实施例中，优选地，步骤400中所述光纤激光器2的重复频率为25kHz-80kHz。

在该实施例中，通过仅改变激光重复频率，可以实现部分彩色；而在同样的功率下，较低的重复频率会提高激光单脉冲能量，从而会增加激光在材料表面热量积蓄，此时应适当降低激光功率或提高扫描速度，而较大的重复频率会降低激光单脉冲能量，则需要适当提高激光功率以增加激光在材料表面热量积蓄，因此本发明的打标方法中激光器重复频率选择为25kHz-80kHz。

在本发明的一个实施例中，优选地，步骤400中激光振镜3的扫描速度为30mm/s-500mm/s。

在该实施例中，通过仅改变扫描速度，可以实现部分彩色；在实现相同的颜色效果下，选用更快的扫描速度可以提高打标效率，太快的扫描速度会使激光在材料表面热量积蓄不足导致打标的颜色出现飞白，过慢的速度又会造成热量积累过多使金属表面熔化而导致打标失败，因此本发明的打标方法中激光振镜3的扫描速度选择为30mm/s-500mm/s。

在本发明的一个实施例中，优选地，步骤400中激光振镜3的扫描行间距0.004μm-0.012μm。

在该实施例中，通过仅改变扫描行间距，可以实现部分彩色，在实现相同的颜色效果下，选用更大的扫描行间距可以提高打标效率，太大的扫描行间距会使激光在材料表面热量积蓄不足导致打标的颜色出现飞白，过小的扫描行间距又会导致热量积累过多使金属表面熔化而打标失败，因此本发明的打标方法中激光振镜3的扫描行间距设置为0.004μm-0.012μm。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，图中不同方块是在一定的扫描行间和重复频率条件下，扫描速度为35mm/s—140mm/s，输出功率为1W—4.2W的参数下加工而成，图中每个方块代表一组参数加工出的彩色效果。如图4和5所示，是彩色金属表面三维形貌分析仪粗糙度观测效果，其中图4为未打标的金属样品7表面，图5是经激光加工后的着色金属表面，可以发现在激光着色后金属表面的粗糙度从234.43nm下降到176.11nm，表面粗糙度得到了明显降低，因此通过本发明的金属彩色打标系统及打标方法加工后的金属不仅可以实现组合多种色彩的彩色图案的一次性成型加工，且彩色金属的粗糙度得到降低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种金属彩色打标系统，其特征在于，包括加工平台、光纤激光器、激光振镜、透镜和打标控制系统；

其中，所述加工平台用于放置金属样品；所述光纤激光器、所述激光振镜和所述透镜顺次相连接；所述光纤激光器用于发射激光束，所述激光振镜用于控制激光束的偏转，所述透镜用于使偏转后的激光束聚焦至金属样品表面；所述打标控制系统用于控制所述光纤激光器激光的发射和发射参数以及所述激光振镜的扫描参数。

2.根据权利要求1所述的金属彩色打标系统，其特征在于，还包括升降支架，所述激光振镜与所述升降支架相连接，所述升降支架用于驱动所述激光振镜升降。

3.根据权利要求1所述的金属彩色打标系统，其特征在于，还包括指示激光，用于指示加工平台上金属样品的放置位置。

4.根据权利要求1所述的金属彩色打标系统，其特征在于，所述打标控制系统包括打标图案设计模块、打标参数设定模块和打标开关控制模块；

所述打标图案设计模块用于绘制欲加工的图案、文字或导入外部打标图片；所述打标参数设定模块用于设置所述激光振镜的扫描速度、扫描行间距及所述光纤激光器的激光输出功率和激光重复频率；所述打标开关控制模块用于控制所述光纤激光器的开关。

5.根据权利要求1所述的金属彩色打标系统，其特征在于，所述透镜为F-θ透镜。

6.一种金属彩色打标系统的打标方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100、对金属样品进行打磨、抛光及清洁，使金属样品表面粗糙度在200nm以内；

步骤200、调整所述加工平台，使所述光纤激光器的激光束依次通过所述激光振镜和所述透镜聚焦在金属样品表面；

步骤300、通过打标图案设计模块绘制待加工形状或图案；

步骤400、通过打标参数设定模块设置工艺参数，包括所述光纤激光器的激光输出功率、激光器重复频率及所述激光振镜的扫描速度和扫描行间距，再通过打标开关控制模块控制激光开始加工；

步骤500、当所有待打标区域都已完成，彩色金属表面加工完成。

7.根据权利要求6所述的金属彩色打标系统的打标方法，其特征在于，所述光纤激光器的激光输出功率为1W-6W。

8.根据权利要求6所述的金属彩色打标系统的打标方法，其特征在于，所述光纤激光器的重复频率为25kHz-80kHz。

9.根据权利要求6所述的金属彩色打标系统的打标方法，所述激光振镜的扫描速度为30mm/s-500mm/s。

10.根据权利要求6所述的金属彩色打标系统的打标方法，所述激光振镜的扫描行间距为0.004μm-0.012μm。