CN109664026A - 一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，改变传统的在基体表面进行矢量填充的直接标刻的方法，采用点阵化的激光标刻方法，本发明中因为采用点阵化激光标刻方法，继承了其最大限度减小激光热影响区域对小尺寸二维码打印增长的影响的优点，使在小尺寸铝合金零件表面标刻高质量二维码成为了可能，本发明针对铝合金材料，对点阵化激光标刻进行了工艺参数优化，进一步提高了所标刻小尺寸二维码的识读质量，该制作方法形成的小尺寸二维码识读质量得以大大提高，该方法制作过程简单、操作性强，可重复性好，实用性强，对在其他材料表面的小尺寸二维码标刻亦有借鉴作用。

Description

一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法

技术领域

本发明属于工业标识领域，具体涉及一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法。

背景技术

Data Matrix码(以下简称DM码)与直接零件标识(DPM，Direct Part Marking)技术目前已广泛运用到航空、航天以及轻工机械零部件产品的标识领域，然而，小零件的唯一标识，尤其是小尺寸铝合零件的直接标识仍是阻碍该技术在企业应用的技术瓶颈。因为铝合金，因其低密度、高强度、高塑性以及优良的导电性、导热性等特点，在航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业领域得到广泛应用，已经广泛应用于蒙皮、壳体、机身等结构件的制造，是航空航天领域中的第一大应用材料。且在航空航天、轻工机械产品中铝合金小零件(直径小于2mm的柱面或小于2mm*2mm的平面)在数量上占极大比重，且对其使用寿命、安全可靠性的具有很高要求。如何保障小尺寸铝合金零件在研制、生产过程中的可追踪、追溯性成为了企业实施产品标识的重要组成部分，其对实现铝合金零件全生命周期可靠、不间断追踪具有重大意义。当前企业对发动机零件的标识追踪主要采用传统的机械点撞击或钢针刻蚀二维码的方法，但目前市面上的设备最小只能实现4×4mm²的二维码标识，对更小尺寸的零件往往不进行标识追踪。

目前，激光标识工艺方面NASA可实现最小2×2mm²的DM码，西北工业大学在刀具管理与直接零件标识方面进行了深入研究并实现了最小1.5×1.5mm²的平面DM码的标刻与有效识读，但仍难以满足大量小零件(尤其是小尺寸柱面零件)直接标识的应用需求。因此，随着激光技术的飞速发展，人们提出了以激光标识为主的工业标识方案，并得到了广泛应用。

目前国内外现有实现小尺寸铝合金标识追踪的方法主要包括：零件挂标牌并在标牌上进行二维码标刻的方法；传统矢量填充并采用“模块缩进”的激光标刻法；点阵化激光直接标刻法，目前这些方法应用时存在下列缺陷：

1、零件挂标牌并在标牌上进行二维码标刻的方法，往往需要钢丝绳将标牌与零件绑定，操作麻烦，且造成产品与唯一标识相分离状况，没有真正实现“物码合一”，而对于较小尺寸且不带孔的零件绑定实施困难，其适用性大大下降。

2、传统矢量填充并采用“模块缩进”的激光标刻法，通过“模块缩进”较大降低了激光热影响区域对小尺寸二维码打印增长的影响，在一定程度上避免了使二维码模块边界严重“过烧蚀”现象，但该策略往往在模块尺寸与激光束光斑尺寸在同一数量级时将失效。

3、点阵化激光直接标刻法，该方法最大限度的减小了激光热影响区域对小尺寸二维码打印增长的影响，但该方法对材料基体的表面纹理和粗糙度有较高要求，否则所标刻出来的二维码质量难以保障(粗糙度Ra≧6.3μm时，所标刻的二维码将无法被正确识读)，且相关文献均忽略了该方法在激光加工过程中所引起的微小颗粒喷射对二维码质量的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，包括以下步骤：

步骤1)、检测待标刻铝合金表面粗糙度，如果铝合金表面粗糙度Ra≧6.3，则在铝合金表面通过预扫描的方法制备一层激光作用层作为小尺寸二维码的底层，否则在铝合金表面不制备激光作用层；

步骤2)、对激光标刻参数进行优化；

步骤3)、利用优化后的激光标刻参数通过点阵化激光标刻方式，在铝合金表面或激光作用层上标刻出所需DM码，最后对DM码进行超声波清洗，即可在铝合金表面得到所需二维码。

进一步的，将标刻完的样件在工业酒精中进行3～5min超声波清洗，然后用空气刷刷净铝合金试件表面，最后对试件在空气中静置至少10min风干。

进一步的，在铝合金表面制备激光作用层前首先对铝合金待标刻铝合金进行清洗、风干，并进行激光预扫描前置处理。

进一步的，具体的，将待标刻铝合金样件在丙酮中进行2～5min的超声波清洗，去除待标刻铝合金表面的油污及杂质。

进一步的，如果待标刻铝合金表面粗糙度Ra≧6.3，采用光纤激光打标机在基材表面通过矢量扫描填充的方法，标刻一尺寸为所需标刻二维码尺寸1.5倍～5倍的激光作用层。

进一步的，激光预扫描工艺参数为：激光功率3W～3.2W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率50KHz～60KHz，模块扫描填充线间距0.1mm～0.2mm，重复打标次数为3～5次。

进一步的，二维码尺寸为0.5×0.5mm²～1.5×1.5mm²。

进一步的，对激光标刻参数进行优化具体采用以下步骤：

求解公式(4)得到最优工艺参数：

C为DM码的对比度；Q为激光频率，P为激光功；

X为DM码激光工艺参数的约束空间，如公式(3)所示，其中x＝(Q,P,L)^T为三维参数域；

X＝{x|90％≤PG≤100％,500≤L≤1500,x∈R⁺³} (3)

由公式(2)获取X/Y向打印增长PG：

L为微型码的公称尺寸，A_I为码数据量，满足M＝g(A_I)；DM码的模块数量为M×M；Z_M为DM码模块的公称宽度，I_growth为微型码模块的平均外径尺寸；

I_growth＝f(P,Q)＝34.751+0.002Q²+-0.481Q-0.162P²+6.285P-0.02QP。

进一步的，经过优化后的激光标刻工艺参数是：激光功率9W～10W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率20KHz～25KHz，标刻次数为3～8次。

进一步的，光纤激光打标机采用YLP-D10型光纤激光打标机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，改变传统的在基体表面进行矢量填充的直接标刻的方法，采用点阵化的激光标刻方法，本发明中因为采用点阵化激光标刻方法，继承了其最大限度减小激光热影响区域对小尺寸二维码打印增长的影响的优点，使在小尺寸铝合金零件表面标刻高质量二维码成为了可能，本发明针对铝合金材料，对点阵化激光标刻进行了工艺参数优化，进一步提高了所标刻小尺寸二维码的识读质量，该制作方法形成的小尺寸二维码识读质量得以大大提高，该方法制作过程简单、操作性强，可重复性好，实用性强，对在其他材料表面的小尺寸二维码标刻亦有借鉴作用。

进一步的，通过超神波清洗消除基材表面可能存在的油污及杂质对小尺寸二维码标刻质量的影响，通过预扫描的方式制备一激光作用底层，实现激光精整，最大限度减小材料表面纹理与粗糙度对二维码不质量产生的不利影响，拓展了该方法的基材应用范围。

进一步的，在二维码激光标刻完成后进行后置处理，通过超声波清洗的方式，清除激光标刻过程中因为仍然存在的热影响以及熔融微小颗粒喷射所引起的彩色斑纹，消除其对二维码识读质量的不利影响。

附图说明

图1是本发明技术方案的基本流程图。

图2实例1中采用本发明制备的DM码。

图3实例1中实例1中未进行超声波清洗的DM码。

图4实例1中实例1中未采用优化参数且未进行超声波清洗的DM码。

图5实例2中实例2中采用本发明在粗糙度Ra＝6.3且纹理较明显基材上标刻的小尺寸DM码。

图6实例2中在粗糙度Ra＝6.3且纹理较明显的基材上未进行前置激光预扫描加工处理所标刻的小尺寸DM码。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，用以提高铝合金表面小尺寸二维码识读质量，具体包括以下步骤：

首先对超声波清洗后的待标刻铝合金表面粗糙度Ra进行测试，如果铝合金表面粗糙度Ra≧6.3，则在铝合金表面通过预扫描的方法制备一层激光作用层作为小尺寸二维码的底层；如果铝合金表面粗糙度Ra<6.3，铝合金表面不需要制备激光作用层；然后对激光标刻参数进行优化，利用优化后的激光标刻参数通过点阵化激光标刻方式，在底层上标刻出所需DM码，最后对DM码进行超声波清洗，进一步的保证小尺寸二维码质量，即可在铝合金表面得到所需二维码；

二维码尺寸为0.5×0.5mm²～1.5×1.5mm²，底层尺寸为所需标刻二维码尺寸的1.5～5倍；

优化后的激光标刻参数为：激光功率9W～10W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率20KHz～25KHz，标刻次数为3～8次。

对激光标刻参数进行优化具体采用以下方法：

采用如表1所示的工艺参数进行均匀实验，首先在标刻重复次数N＝1的情况下，对激光功率P和激光频率Q因素进行全试验，实验环境为大气氛围，分析激光功率P和激光频率Q对微型码对比度C以及X/Y向打印增长的影响，然后再研究标刻重复次数对标刻质量的影响；

表1

其次对获得的DM码进行扫描识读和质量分析，记录DM码的识读质量，包括对比度C和X/Y向打印增长，实验发现，重复标刻次数N对模块外径的影响较小，因此先设定重复标刻次数N＝1，然后针对不同激光频率Q与激光功率P，对样本中的DM码模块直径观测量，并取DM码模块直径的平均值，进行二次回归，回归结果如公式(1)：

I_growth＝f(P,Q)＝34.751+0.002Q²+-0.481Q-0.162P²+6.285P-0.02QP (1)

其中I_growth为微型码模块的平均外径尺寸，单位为μm；

进行激光工艺参数优化：

DM码数据量大小决定了微型码的模块数，对应数据量为A_I字节数的DM码的模块数量M×M，满足M＝g(A_I)；进行微型码激光标刻过程中，模块的打印增长与模块的公称宽度Z_M(单位μm)紧密相关，模块的公称宽度Z_M由DM码的公称尺寸L(单位μm)和DM的模块数量(M×M)决定，如式(2)所示：

(2)式中PG代表X/Y向打印增长，故微型码激光工艺参数的约束空间X，如公式(3)所示，其中x＝(Q,P,L)^T为三维参数域；

X＝{x|90％≤PG≤100％,500≤L≤1500,x∈R⁺³} (3)

显然在保障打印增长以及微型码尺寸约束的前提下，模块与背景的对比度越大，微型码的识读质量越高，综上，微型码激光标刻工艺参数最优化问题表述为如所示的公式(4)：

如对于给定的字符串“123456789”，对应DM码的模块数M＝12，对公式(4)进行求解，得Q＝20KHz,P＝20w,822um≤L≤913um,N＝3，微型码公称尺寸可取值L为0.82mm。

码数据量A_I发生变化时，求解公式(4)，得到最优工艺参数为：激光功率9W～10W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率20KHz～25KHz，标刻次数为3～8次。

具体包括以下步骤：

步骤1：基材准备及预处理：

步骤1.1：准备铝合金基材样件，基材厚度为1mm～5mm的薄板；

步骤1.2：清洗、烘干：对步骤1.1中样件在丙酮中进行2～5min的超声波清洗，去除材料表面的油污及杂质，为后期预处理及二维码标刻做准备；

步骤1.3：对超声波清洗后的待标刻铝合金表面粗糙度Ra进行测试，如果待标刻铝合金表面粗糙度Ra<6.3，则进入步骤2；如果待标刻铝合金表面粗糙度Ra≧6.3，则直接进入步骤1.4；

步骤1.4：二维码标刻预处理：通过预扫描的方式制备一激光作用底层；采用光纤激光打标机，调焦完毕后，在基材表面通过矢量扫描填充的方法，标刻一尺寸为所需标刻二维码尺寸1.5倍～5倍的激光作用层；所采用的激光预扫描工艺参数为：激光功率3W～3.2W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率50KHz～60KHz，模块扫描填充线间距0.1mm～0.2mm，重复打标次数为3～5次；

步骤2：激光标刻二维码；采用与步骤1相同的激光标刻设备，调焦完成后，直接在薄板基底表面或在预制备好的激光作用层标刻一所需尺寸的DM码，标刻方法为点阵化标刻，所采用的激光标刻工艺参数是经过优化后的参数：激光功率9W～10W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率20KHz～25KHz，标刻次数为3～8次；

步骤3：二维码标刻后的后置处理；将标刻完的样件在工业酒精中进行3～5min超声波清洗，然后用空气刷刷净铝合金试件表面，最后对试件在空气中静置至少10min，进行风干。

光纤激光打标机采用中国大族YLP-D10型光纤激光打标机，激光波长为1064nm，聚焦后激光束光斑直径为25μm。

采用本发明铝合金表面小尺寸二维码识读质量的激光标刻方法制备，其目的是针对小尺寸零件的直接标识，结合点阵化激光标刻方法，从提高小尺寸DM码的识读质量的思路出发，首先在铝合金表面通过预扫描的方法制备一层均匀激光作用层作为小尺寸二维码的底层，然后运用点阵化激光标刻方式，采用经过优化的激光标刻参数在底层上标刻出高质量所需DM码，最后对DM码进行超声波清洗，保证小尺寸二维码质量，最大限度减小材料表面纹理与粗糙度，以及激光热影响与熔融微小颗粒喷射对标识质量的影响，实现对小尺寸零件的高质量激光标识，保障其生产追踪的高度可靠。

实施例1：

步骤1：基材准备及预处理：

步骤1.1：准备牌号为5A06的铝合金基材，基材厚度为5mm的薄板；

步骤1.2：清洗、风干：对步骤1.1中样件在丙酮中，进行2min的超声波清洗，去除材料表面可能存在的油污及杂质，然后风干，为后期预处理及二维码标刻做准备；

步骤1.3：对待标刻铝合金表面粗糙度进行测试，结果显示Ra＝1.6，故为A组基材，直接进入步骤2；

步骤2：激光标刻二维码：采用与步骤1相同的激光标刻设备，调焦完成后，直接在薄板基底表面(对于A组基材)标刻一所尺寸为0.8×0.8mm²的DM码(码字为“123456”)，标刻方法为点阵化标刻；所采用的激光标刻工艺参数为：激光功率10w，标刻速度100mm/s，Q频率20KHz，标刻次数为3次；

步骤3：二维码标刻后的后置处理：将标刻完的样件在工业酒精中进行5min超声波清洗，然后用空气刷刷净铝合金试件表面，最后对试件在空气中静置至少10min，进行风干。

根据AIM-DPM-1-2006标准，用“Microscan”条码校验仪对本实施例中DM码标记(如图2所示)与在该材料表面用激光标刻虽采用优化的激光参数但未进行超声波清洗后置处理形成的DM码标记(如图3所示)以及不仅未采用优化的激光参数且未进行超声波清洗后置处理形成的DM码标记(如图4所示)进行质量校验，并用康奈视“DataMan8500”扫描枪对两种标记分别进行识读，其质量数据如表2所示。

表2

注：对比度大识读质量越好，打印增长越接近100％质量越优。

从表2和图2～4可以看出，采用本发明的优化参数进行二维码标刻可以有效保障小尺寸二维码的质量，而采用超声波清洗的后置处理则可以有效清除激光标刻过程中因为仍然存在的热影响以及熔融微小颗粒喷射所引起的“彩色斑纹(如图3、图4所示)”对二维码识读的干扰，二维码识读质量得以大大提高。

实施例2：

步骤1：基材准备及预处理：

步骤1.1：准备牌号为5A06的铝合金基材，基材厚度约为3mm的薄板；

步骤1.2：清洗、风干：对步骤1.1中样件在丙酮中，进行5min的超声波清洗，去除材料表面可能存在的油污及杂质，然后风干，为后期预处理及二维码标刻做准备；

步骤1.3：对待标刻铝合金表面粗糙度进行测试，对待标刻铝合金表面粗糙度进行测试，结果显示Ra＝6.3，且纹理较明显，故为B组基材基材进入步骤1.4；

步骤1.4：二维码标刻预处理，通过预扫描的方式制备一激光作用底层；采用光纤激光打标机，调焦完毕后，在基材表面通过矢量扫描填充的方法，标刻一尺寸为3×3mm²的正方形模块；所采用的激光标刻工艺参数为：激光功率3W，标刻速度200mm/s，Q频率50KH，模块扫描填充线间距0.1mm，重复打标次数为3次；

步骤2：激光标刻二维码：采用与步骤1相同的激光标刻设备，调焦完成后，在预制备好的底层中心区域(对于B组基材)标刻一尺寸为0.8×0.8mm²的DM码(码字为“123456”)，标刻方法为点阵化标刻；所采用的激光标刻工艺参数是经过优化后的参数：激光功率9W，标刻速度200mm/s，Q频率20KHz，标刻次数为3次；

步骤3：二维码标刻后的后置处理：将标刻完的样件在工业酒精中进行5min超声波清洗，然后用空气刷刷净铝合金试件表面，最后对试件在空气中静置至少10min，进行风干。

根据AIM-DPM-1-2006标准，用“Microscan”条码校验仪对本实施例中DM码标记(如图5所示)与)在该材料表面用激光标刻但未进行前置预扫描处理的DM码标记(如图6所示)进行质量校验，并用康奈视“DataMan8500”扫描枪对两种标记分别进行识读，其质量数据如表3所示。

表3

注：对比度大识读质量越好，打印增长越接近100％质量越优，由于图6DM码无法识读，故无识读书质量数据。

从表3及图5～6中可以看出，若不对表面较为粗糙且纹理较明显的基材进行激光预扫描加工的前置处理，则所标刻出来的小尺寸二维码无法被扫描枪正确识读，甚至连肉眼都无法辨识；而经过激光预扫描加工的前置处理后，实现激光精整，最大限度减小材料表面纹理与粗糙度对二维码不质量产生的不利影响，使本专利所标刻的二维码整体质量达到了B级，识读质量得以较大提高，满足工程许可要求。

本发明将拓展激光标识的应用范围，保障小尺寸铝合金零件激光直接标识的高质量，为小尺寸零件的质量的追踪、追溯提供关键技术，对提升航空航天、轻工制造业等诸多领域的产品追踪管理与质量保障水平亦具有重大现实意义，在制造业产品产生第一线具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、检测待标刻铝合金表面粗糙度，如果铝合金表面粗糙度Ra≧6.3，则在铝合金表面通过预扫描的方法制备一层激光作用层作为小尺寸二维码的底层，否则在铝合金表面不制备激光作用层；

步骤2)、对激光标刻参数进行优化；

步骤3)、利用优化后的激光标刻参数通过点阵化激光标刻方式，在铝合金表面或激光作用层上标刻出所需DM码，最后对DM码进行超声波清洗，即可在铝合金表面得到所需二维码。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，将标刻完的样件在工业酒精中进行3～5min超声波清洗，然后用空气刷刷净铝合金试件表面，最后对试件在空气中静置至少10min风干。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，在铝合金表面制备激光作用层前首先对铝合金待标刻铝合金进行清洗、风干，并进行激光预扫描前置处理。

4.根据权利要求3所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，具体的，将待标刻铝合金样件在丙酮中进行2～5min的超声波清洗，去除待标刻铝合金表面的油污及杂质。

5.根据权利要求4所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，如果待标刻铝合金表面粗糙度Ra≧6.3，采用光纤激光打标机在基材表面通过矢量扫描填充的方法，标刻一尺寸为所需标刻二维码尺寸1.5倍～5倍的激光作用层。

6.根据权利要求5所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，激光预扫描工艺参数为：激光功率3W～3.2W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率50KHz～60KHz，模块扫描填充线间距0.1mm～0.2mm，重复打标次数为3～5次。

7.根据权利要求1所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，二维码尺寸为0.5×0.5mm²～1.5×1.5mm²。

8.根据权利要求1所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，对激光标刻参数进行优化具体采用以下步骤：

求解公式(4)得到最优工艺参数：

C为DM码的对比度；Q为激光频率，P为激光功；

X为DM码激光工艺参数的约束空间，如公式(3)所示，其中x＝(Q,P,L)^T为三维参数域；

X＝{x|90％≤PG≤100％,500≤L≤1500,x∈R⁺³} (3)

由公式(2)获取X/Y向打印增长PG：

L为微型码的公称尺寸，A_I为码数据量，满足M＝g(A_I)；DM码的模块数量为M×M；Z_M为DM码模块的公称宽度，I_growth为微型码模块的平均外径尺寸；

I_growth＝f(P,Q)＝34.751+0.002Q²+-0.481Q-0.162P²+6.285P-0.02QP。

9.根据权利要求8所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，经过优化后的激光标刻工艺参数是：激光功率9W～10W，标刻速度100mm/s～200mm/s，Q频率20KHz～25KHz，标刻次数为3～8次。

10.根据权利要求5所述的一种铝合金表面小尺寸二维码激光标刻方法，其特征在于，光纤激光打标机采用YLP-D10型光纤激光打标机。