CN109986212A - 一种激光彩色打标系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光打标技术领域，具体涉及一种激光彩色打标方法，用于对产品的金属表面进行彩色打标。所述激光彩色打标方法包括步骤：调整产品的位置，使产品的加工区域处于激光焦点的位置；采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标。本发明还涉及一种激光彩色打标系统，包括治具，用于对产品进行定位；皮秒超快激光器，用于对产品的金属表面进行打标；控制模块，与皮秒超快激光器连接且用于对激光加工参数进行设置和调整。本发明采用皮秒超快激光对产品的加工区域进行打标，在产品的金属表面形成彩色标记，颜色更均匀鲜亮，稳定性好，且大面积色块的均匀性更好，色谱广，可视角度大。

Description

一种激光彩色打标系统及其方法

技术领域

本发明涉及激光打标技术领域，具体涉及一种激光彩色打标系统及其方法。

背景技术

传统的金属表面变色工艺为电化学氧化着色法即通过在电解液中发生阳极氧化反应，在其表面生成透明的干涉薄膜反射和折射光线而形成不同的颜色。但电化学氧化着色法在一定程度上会带来环境污染，且加工效率低。

现有采用激光打标的方法对金属表面进行打标来产生颜色。激光打标是利用激光的热效应烧蚀物体表面材料从而留下永久标记的技术。比起传统的电化学、机械等标记方法具有无污染、高速度、高质量、灵活性大，不接触工作等优点。

纳秒激光辐照金属表面主要以形成氧化膜来产生颜色，激光脉冲作为局部热源，在辐照的过程中使金属表面发生了氧化反应，表面形成了一层透明或半透明的氧化薄膜，氧化膜在白光下产生干涉效应，不同厚度的氧化膜产生不同厚度的颜色。

飞秒超短脉冲激光可以在金属表面形成纳米量级的激光诱导周期性表面条纹结构，这种条纹结构具有反射光栅的特点和性质，白光照射在金属表面会发生衍射使不同条纹衍射的光彼此之间相互干涉，波长不同的光干涉的极大值出现的方向不同，因为白光经过反射光栅后色散形成光谱，形成了彩色图案。

但是，使用纳秒激光器或飞秒超短脉冲激光器对金属表面进行激光打标的加工效果不理想，存在效果颜色暗沉，效果色谱窄且可视角度小的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光彩色打标系统及其方法，克服现有的激光打标对金属表面进行彩色标记存在效果颜色暗沉、效果色谱窄且可视角度小的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光彩色打标方法，用于对产品的金属表面进行彩色打标，所述激光彩色打标方法包括步骤：

调整产品的位置，使产品的加工区域处于激光焦点的位置；

采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标。

本发明的更进一步优选方案是：所述激光加工参数至少包括皮秒超快激光器的脉宽、脉冲数量、输出功率、重复频率、激光振镜的打标速度和填充间距。

本发明的更进一步优选方案是：所述皮秒超快激光器的脉宽为5～25ps。

本发明的更进一步优选方案是：所述皮秒超快激光器的脉冲数量为5～30。

本发明的更进一步优选方案是：所述皮秒超快激光器的输出功率为4～10W。

本发明的更进一步优选方案是：所述皮秒超快激光器的重复频率为100～1000KHZ。

本发明的更进一步优选方案是：所述激光振镜的打标速度为100～1000mm/s。

本发明的更进一步优选方案是：所述激光振镜的填充间距为0.001～0.01mm。

本发明的更进一步优选方案是：所述采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标包括步骤：

设置不同的激光加工参数组合；

采用皮秒超快激光，根据不同的激光加工参数组合在金属表面的不同区域进行打标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光彩色打标系统，应用上述所述的激光彩色打标方法进行打标，所述激光彩色打标系统包括：

治具，用于对产品进行定位；

皮秒超快激光器，用于对产品的金属表面进行打标；

控制模块，与皮秒超快激光器连接且用于对激光加工参数进行设置和调整。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过调整产品的位置，使产品的加工区域处于激光焦点的位置；采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标，皮秒超快激光能在金属表面辐照加热形成不同颜色的氧化膜，且可以扫描方式实现金属表面周期性条纹结构，从而调制光谱反射率，改变金属表面颜色，形成彩色的标记，皮秒超快激光热效应小，其加工效果颜色更均匀鲜亮，且大面积色块的均匀性更好，效果色谱广，可视角度大。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的激光彩色打标方法的流程框图；

图2是本发明的激光彩色打标方法的具体流程框图；

图3是采用皮秒超快激光进行打标的流程框图；

图4是本发明的激光彩色打标方法的具体实施流程框图；

图5是采用普通光纤激光器进行激光打标的效果图；

图6是采用本发明的激光彩色打标方法进行激光打标的效果图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1及图2所示，本发明提供一种激光彩色打标方法的优选实施例。

所述激光彩色打标方法用于对产品的金属表面进行彩色打标，包括步骤：

S10、调整产品的位置，使产品的加工区域处于激光焦点的位置；

S20、采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标。

采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标，皮秒超快激光处于纳秒激光和飞秒激光之间，能在金属表面辐照加热形成不同颜色的氧化膜，且可以扫描方式实现金属表面周期性条纹结构，从而调制光谱反射率，改变金属表面颜色，形成彩色的标记，皮秒超快激光热效应小，其加工效果颜色更均匀鲜亮，稳定性好，且大面积色块的均匀性更好，效果色谱广，可视角度大。

其中，所述皮秒超快激光的波长为1064±1nm。

以及，产品的加工区域处于激光焦点的位置，激光器发射的激光便可在焦点或焦点附近对金属表面作用产生纳米级周期性氧化膜结构，由于光线衍射，金属表面产生了颜色。其中，聚焦镜采用F-Theta聚焦镜。

本实施例中，所述激光加工参数至少包括皮秒超快激光器的脉宽、脉冲数量、输出功率、重复频率、激光振镜的打标速度和填充间距。通过外部控制模块对皮秒超快激光器的这些激光加工参数进行设置和调整，控制皮秒超快激光器发射脉宽为皮秒量级的激光,在激光焦点或焦点附近处对金属表面作用产生纳米级周期性氧化膜结构，由于光线衍射产生了颜色，形成彩色标记。

其中，所述皮秒超快激光器的脉宽为5～25ps。

以及，所述皮秒超快激光器的脉冲数量为5～30。皮秒超快激光器的脉冲数量是指在一个激光脉冲中包含的子脉冲数量，该值设定偏低时，单脉冲能量较大，金属表面产生的氧化膜表面容易被打出粉尘甚至无法产生氧化膜，脉冲数量达到15以上时，产生的氧化膜颜色稳定；该值设置过高时，产品的金属表面则无法形成氧化膜。优选地，可将皮秒超快激光器的脉冲数量设置为15～30，产品的金属表面产生的氧化膜稳定，形成稳定的彩色标记。

进一步地，所述皮秒超快激光器的输出功率为4～10W。将皮秒超快激光器的输出功率控制在4～10W，输出功率过低则金属表面无法产生氧化膜；输出功率过高会将形成的氧化膜打碎变成粉尘。

进一步地，所述皮秒超快激光器的重复频率为100～1000KHZ。皮秒超快激光器的重复频率太低会导致单脉冲能量过高使产品的金属表面瞬间气化无法产生氧化膜；频率过高导致单脉冲能量过小，无法产生氧化膜。

进一步地，所述激光振镜的打标速度为100～1000mm/s。激光振镜的打标速度过慢会导致产生的氧化膜太厚，会导致热量积累颜色不均匀；速度太快则无法产生足够厚的氧化膜。因此，将激光振镜的打标速度设置为100～1000mm/s，可使激光加工后，颜色鲜亮，大面积色块均匀。

进一步地，所述激光振镜的填充间距为0.001～0.01mm。激光振镜的填充间距太小则加工效率太低，热量积累颜色不均匀；填充间距太大则由于能量密度不足无法产生蓝色和紫色，致使激光加工形成的色谱窄。采用填充间距为0.001～0.01mm，可使激光打标后形成颜色均匀的色块，可加工形成的色谱宽，应用更广泛。

参考图3，在步骤S20中，所述采用皮秒超快激光并调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标包括步骤：

S21、设置不同的激光加工参数组合；

S22、采用皮秒超快激光，根据不同的激光加工参数组合在金属表面的不同区域进行打标。

操作人员根据所需要标记的不同颜色，综合不同激光加工参数的不同范围的组合，设置针对不同颜色的激光加工参数组合，采用皮秒超快激光在产品的金属表面的不同区域打标，在金属表面产生不同厚度的氧化膜，并形成周期性条纹结构，形成稳定的彩色标记。

其中，对于在金属表面打标形成不同的颜色，操作人员只需在外部控制模块上通过制图软件编辑图档设定不同的激光加工参数来实现，操作方便。操作人员可以在CAD或Coreldraw制图软件上编辑相应的图档。

以及，操作人员通过控制皮秒超快激光器的激光振镜的走向和速度根据预设的图档在金属表面加工所需要的图案。

上述所述的金属包括金、银、铜、铁、铝、镍、钛和不锈钢，或者他们的合金材料或者主要成分为前述材料的复合金属材料。本实施例中，所述激光彩色打标方法优选应用于钛合金表面的彩色打标。

其中，钛合金是以钛为基础加入其它元素组成的合金。钛合金具有强度高、密度低、机械性好，韧性和抗蚀性好等优点而被广泛应用。传统的钛合金表面变色工艺为电化学氧化着色法即通过在电解液中发生阳极氧化反应，在其表面生成透明的干涉薄膜反射和折射光线而形成不同的颜色。

参考图5及图6，图5为使用普通光纤激光器进行激光打标的效果图，图6是采用本发明的激光彩色打标方法进行激光打标的效果图。采用本发明的激光彩色打标方法对产品的钛合金表面进行打标，产生彩色标记，相比于现有的彩色标记方式，本发明的激光彩色打标方法具有无污染、高速度、高质量、良品率高、灵活性大，不接触工作等优点，加工效果色谱广且可视角度大，色块平整均匀且不影响产品的底材性能，效果稳定。本实施例中的钛合金可以为美国标号Grade4和Grade5。

如图4所示，图4是本发明的激光彩色打标方法的具体实施流程框图。

图4中，所述激光彩色打标方法具体包括步骤：

S41、根据产品形状制作治具；S42、根据所需图案编辑镭雕图档，将编辑好的镭雕图档以PLT格式导入到打标软件上；S43、将准备好放置于治具的产品连同治具置于精密加工平台上，调整产品的位置使其加工区域处于激光焦点的位置；S44、调整激光加工参数；S45、采用皮秒超快激光对产品的加工区域进行打标；S46、判断产品的所有加工区域是否已打标完成；S47、打标完成。

其中，在步骤S45中，需要控制皮秒超快激光器的激光振镜的走向在产品的加工区域的不同位置进行打标，即在产品的钛合金表面进行打标。以及，当产品的钛合金表面存在未加工的区域，返回步骤S44、调整激光加工参数，直至产品的所有区域已被打标。

本发明还提供一种激光彩色打标系统的优选实施例。

所述激光彩色打标系统应用上述所述的激光彩色打标方法进行打标，所述激光彩色打标系统包括：

治具，用于对产品进行定位；

皮秒超快激光器，用于对产品的金属表面进行打标；

控制模块，与皮秒超快激光器连接且用于对激光加工参数进行设置和调整。

调整产品的位置，使产品的加工区域处于激光焦点的位置后，治具对产品进行定位固定；控制模块对皮秒超快激光器的激光加工参数进行设置和调整，并控制皮秒超快激光器发射脉宽为皮秒量级的激光，同时，控制皮秒超快激光器的激光振镜来控制聚焦后的激光在金属表面的具体走向和速度，在焦点或焦点附近处对金属表面作用产生纳米级周期性氧化膜结构，由于光线衍射产生了颜色，实现金属表面的彩色标记，皮秒超快激光热效应小，其加工效果颜色更均匀鲜亮，且大面积色块的均匀性更好，效果色谱广，可视角度大。

其中，治具根据产品的形状和尺寸制作，实现适应产品的大小，对产品在激光彩色打标过程中的定位。

以及，所述控制模块可以是工控机、运动控制卡或单片机控制器中的一种。本实施例中，将控制模块优选为工控机。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光彩色打标方法，用于对产品的金属表面进行彩色打标，其特征在于，包括步骤：

调整产品的位置，使产品的加工区域处于激光焦点的位置；

采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标。

2.根据权利要求1所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述激光加工参数至少包括皮秒超快激光器的脉宽、脉冲数量、输出功率、重复频率、激光振镜的打标速度和填充间距。

3.根据权利要求2所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述皮秒超快激光器的脉宽为5～25ps。

4.根据权利要求2所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述皮秒超快激光器的脉冲数量为5～30。

5.根据权利要求2所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述皮秒超快激光器的输出功率为4～10W。

6.根据权利要求2所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述皮秒超快激光器的重复频率为100～1000KHZ。

7.根据权利要求2所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述激光振镜的打标速度为100-1000mm/s。

8.根据权利要求2所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述激光振镜的填充间距为0.001-0.01mm。

9.根据权利要求2-8任一所述的激光彩色打标方法，其特征在于，所述采用皮秒超快激光，调整激光加工参数对产品的加工区域进行打标包括步骤：

设置不同的激光加工参数组合；

采用皮秒超快激光，根据不同的激光加工参数组合在金属表面的不同区域进行打标。

10.一种激光彩色打标系统，其特征在于，所述激光彩色打标系统应用如权利要求1-9任一所述的激光彩色打标方法进行打标，所述激光彩色打标系统包括：

治具，用于对产品进行定位；

皮秒超快激光器，用于对产品的金属表面进行打标；

控制模块，与皮秒超快激光器连接且用于对激光加工参数进行设置和调整。