CN111531279A - 一种金属表面炫彩磨砂加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属表面炫彩磨砂加工方法，包括：加工参数设置步骤，用于根据产品外形尺寸信息及激光加工图档获取加工参数，并在一激光加工系统中设置激光加工参数；加工区域定位步骤，用于通过一CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行抓取定位，并通过一电动Z轴调整焦点，以使产品表面处于激光的焦点位置；加工控制步骤，用于通过一电动控制系统切换不同光路并根据所述激光加工参数控制分别对产品表面加工区域进行炫彩加工和磨砂加工。上述方案通过飞秒激光在金属材料表面标刻出清晰的周期性微纳条纹结构，形成炫彩效果；通过纳秒激光在金属表面刻蚀出磨砂渐变效果，使金属表面颜色鲜明美观且颜色均匀，大大提高了产品的附加值。

Description

一种金属表面炫彩磨砂加工方法

技术领域

本发明属于激光打标技术领域，尤其涉及一种利用飞秒和纳秒激光的金属表面炫彩磨砂加工方法。

背景技术

电化学氧化着色法是主要的传统金属表面变色工艺，该方法需要在电解液中发生阳极氧化反应，以此形成不同颜色的氧化薄膜。这种方法步骤繁琐、加工效率低，且废料难处理，容易造成环境污染。而且对于一些贵重金属的着色，阳极反应会降低其纯度，不适宜贵重金属的表面加工。

激光打标有着无接触工作、无环境污染、永久标记、高效灵活等优点，近年来广泛用于金属表面的彩色标记。常见的激光彩色标记方法是使用纳秒激光在金属表面烧蚀一层氧化膜，氧化膜在自然光照下因干涉效应呈现出不同的颜色，但纳秒激光对加工条件非常敏感且加工出的颜色有限，不适宜进行金属表面炫彩工业化生产。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提供了一种应用于金属表面，尤其是镜面金属材料的，利用飞秒及纳秒激光的金属表面炫彩及磨砂加工方法，旨在解决传统电化学着色法步骤繁琐、污染环境和纳秒激光着色稳定性差等问题。

为实现上述目的，本发明公开了一种金属表面炫彩磨砂加工方法，包括：

加工参数设置步骤S10，用于根据产品外形尺寸信息及激光加工图档获取加工参数，并在一激光加工系统中设置激光加工参数；

加工区域定位步骤S20，用于通过一CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行抓取定位，并通过一电动Z轴调整焦点，以使产品表面处于激光的焦点位置；

炫彩加工控制步骤S30，用于通过一电动控制系统切换不同光路并根据所述激光加工参数控制分别对产品表面加工区域进行炫彩加工和磨砂加工。

进一步地，所述光路包括但不限于飞秒激光和纳秒激光，其中，飞秒量级的激光脉宽可以在金属材料表面成型出周期性的微纳条纹结构，光线在微纳结构间发生衍射和相互干涉后色散成绚丽多彩的光谱，即结构色，飞秒激光可以通过调控激光波长、输出功率、脉冲宽度、光斑轮廓、材料的光学性质和表面状态等设计出多种微纳条纹，因此结构色具有很强的可设计性，同时飞秒激光是一种非热融式加工，具有脉冲时间超短、峰值功率超强等特性，能够对材料进行快速去除，热扩散影响非常小，适宜于高端金属表面加工；而纳秒量级脉宽的激光通过热消融的方式在金属表面烧蚀出印记，通过改变纳秒激光功率、脉宽、加工速度、脉冲频率等参数，可以在金属表面形成不同效果的磨砂印记。而金属表面本身为镜面效果，通过激光在表面刻蚀出磨砂印记，可形成镜面和磨砂渐变效果。

进一步地，所述炫彩加工控制步骤S30进一步包括：

飞秒激光调整步骤S31，用于所述激光加工系统基于所述激光加工图档进行扩束并经一光束整形器件调整所述飞秒激光的光斑状态后输出至一振镜；

纳秒激光调整步骤S32，用于所述激光加工系统基于所述激光加工文档对纳秒激光经扩束后输出至所述振镜，所述扩束步骤用于使激光光斑直径达到10mm；

光束切换步骤S33，用于通过控制一电移台的移动遮挡或反射纳秒激光光束，以切换飞秒激光光束或纳秒激光光束输出。

进一步地，所述飞秒激光波长为1030nm，所述纳秒激光波长为1064nm。

进一步地，所述激光加工参数通过命名区分飞秒光源及纳秒光源，以便于所述激光加工系统通过区分两种后缀来控制不同激光器输出光源。

进一步地，所述飞秒激光和纳秒激光光源采用同一输出光路。

进一步地，所述激光加工参数包括但不限于脉冲宽度、泵浦电流、输出功率、脉冲重复频率、振镜打标速度、填充间距及填充角度。

进一步地，所述飞秒激光器的脉冲宽度为400-800fs，所述纳秒激光器的脉冲宽度为4-200ns，飞秒激光器的泵浦电流为45-75％。

进一步地，所述飞秒激光器的输出功率为1-5w，所述纳秒激光器的输出功率为1-20w，通过飞秒激光在金属材料表面标刻出清晰的周期性微纳条纹结构，形成炫彩效果；通过纳秒激光在金属表面刻蚀出磨砂渐变效果。

进一步地，所述飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz；所述纳秒激光器的脉冲重复频率为20-2000kHz，以确保可用于对金属材料加工且实现设定的加工效果。

进一步地，所述振镜打标速度为1000-2500mm/s，以产生连续过渡的无干扰的周期性微纳条纹结构。

进一步地，所述填充间距为0.01-0.05mm，以保证炫彩效果明亮。

进一步地，所述填充角度需根据炫彩效果要求进行调整，在同一视角下，不同的填充角度可以产生不同的炫彩效果，可以根据整体炫彩效果的要求，对每个区域都设计不同的填充角度。

进一步地，所述振镜的重复定位精度小于10urad，以使每条加工出的条纹间隔一致，避免出现水波纹，对加工效果造成影响。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

采用本发明的金属表面炫彩磨砂加工方法可同时制备出颜色随视角不断变化的彩色效果及均匀细腻的磨砂效果，颜色鲜明美观、均匀性好；调整好激光加工软件系统与CCD视觉定位系统后，即可直接导入设计好的加工图档，视觉软件可在产品表面抓取出加工区域外轮廓，同时加工软件控制电移台切换光路，再引导两种光源在加工区域实现不同打标效果，并且还可以根据每块子区域效果要求的不同，设计不同的加工参数，在同一产品表面标记出色彩多样化的图案。采用这种方法在金属表面进行炫彩加工和磨砂加工，不仅提升了产品外观，而且大大提高了产品的附加值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的金属表面炫彩磨砂加工方法的流程示意图；

图2为本发明实施例方法的飞秒/纳秒激光双光路结构示意图；

图3为本发明实施例的激光加工图档参考示例图。

其中：

1、飞秒激光器；2、导光筒；3、全返镜I；4、全返镜II；5、光束整形器件；6、飞秒扩束镜；7、纳秒扩束镜；8、电移台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明实施例的金属表面炫彩磨砂加工方法的流程示意图；参考图1所示，本发明实施例公开了一种金属表面炫彩磨砂加工方法，包括：加工参数设置步骤S10，用于根据产品外形尺寸信息及激光加工图档获取加工参数，并在一激光加工系统中设置激光加工参数；

加工区域定位步骤S20，用于通过一CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行抓取定位，并通过一电动Z轴调整焦点，以使产品表面处于激光的焦点位置；

炫彩加工控制步骤S30，用于通过一电动控制系统切换不同光路并根据所述激光加工参数控制分别对产品表面加工区域进行炫彩加工，值得注意的是，本实施例的光路包括飞秒激光和纳秒激光，相应的，激光加工参数通过命名区分飞秒光源及纳秒光源，本实施例的飞秒激光加工参数采用后缀“fs”，纳秒激光加工参数采用后缀“ns”，以便于激光加工系统通过区分两种后缀来控制不同激光器输出光源；

炫彩加工控制步骤S30进一步包括：

飞秒激光调整步骤S31，用于激光加工系统基于激光加工图档进行扩束并经一光束整形器件调整飞秒激光的光斑状态后输出至一振镜；

纳秒激光调整步骤S32，用于激光加工系统基于激光加工文档对纳秒激光经扩束后输出至振镜，扩束步骤用于使激光光斑直径达到10mm；

光束切换步骤S33，用于通过控制一电移台8的移动遮挡或反射纳秒激光光束，以切换飞秒激光光束或纳秒激光光束输出。

具体的，图2为本发明实施例方法的飞秒/纳秒激光双光路结构示意图；参考图2所示，切换至飞秒激光时，飞秒激光器1发射飞秒激光，通过导光筒2并经全返镜I3、全返镜II4反射至光束整形器件5，进而传输至飞秒扩束镜6，此时，激光加工系统控制电移台8移动至不阻挡飞秒扩束镜6的位置处，飞秒激光输出；切换至纳秒激光时，纳秒激光器发射纳秒激光进入纳秒扩束镜7，此时，移动电移台8至于飞秒扩束镜6同轴的位置处，使飞秒激光被阻挡，纳秒激光经电移台8上的全返镜反射输出。

图3为本发明实施例的激光加工图档参考示例图，参考图3所示的图案进行加工，图中飞秒加工参数部分图案为蓝色、纳秒加工参数部分图案为绿色，其中，本实施例采用的飞秒激光波长为1030nm，纳秒激光波长为1064nm；飞秒激光器的脉冲宽度为400-800fs，纳秒激光器的脉冲宽度为4-200ns，飞秒激光器的泵浦电流为45-75％，飞秒激光器的输出功率为1-5w，纳秒激光器的输出功率为1-20w，本实施例采用纳秒激光器的输出功率为5-8w，在该功率下可以使飞秒激光在金属材料表面标刻出清晰的周期性微纳条纹结构，形成炫彩效果；通过纳秒激光在金属表面刻蚀出磨砂渐变效果，满足加工图案效果多样性的需求；飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz；纳秒激光器的脉冲重复频率为20-2000kHz，振镜打标速度为1000-2500mm/s，填充间距为0.01-0.05mm，防止填充间距太密影响相邻光斑的周期性结构，使效果暗沉，对比度差；填充间距太稀则会导致加工效果不够明亮；振镜的重复定位精度小于10urad，填充角度根据炫彩效果要求进行调整，在同一视角下，不同的填充角度可以产生不同的炫彩效果，可以根据整体炫彩效果的要求，对每个区域都设计不同的填充角度。

飞秒量级的激光脉宽可以在金属材料表面成型出周期性的微纳条纹结构，光线在微纳结构间发生衍射和相互干涉后色散成绚丽多彩的光谱，即结构色，飞秒激光可以通过调控激光波长、输出功率、脉冲宽度、光斑轮廓、材料的光学性质和表面状态等设计出多种微纳条纹，因此结构色具有很强的可设计性，同时飞秒激光是一种非热融式加工，具有脉冲时间超短、峰值功率超强等特性，能够对材料进行快速去除，热扩散影响非常小，适宜于高端金属表面加工；而纳秒量级脉宽的激光通过热消融的方式在金属表面烧蚀出印记，通过改变纳秒激光功率、脉宽、加工速度、脉冲频率等参数，可以在金属表面形成不同效果的磨砂印记。而金属表面本身为镜面效果，通过激光在表面刻蚀出磨砂印记，可形成镜面和磨砂渐变效果。本实施例结合飞秒激光加工和纳秒激光加工对金属表面进行炫彩加工和磨砂加工，大大提升产品的外观效果并提高产品的附加值。

本实施例的加工对象为镜面金属材料，表面呈现镜面状态。材料的表面状态会决定激光作用产生的周期性微纳条纹结构所能形成的结构色，直接影响加工图案的视觉效果，经过测试，表面呈镜面状态的不锈钢、金、银、铜、铂、钛，或者相关合金材料等皆可进行炫彩加工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，包括：

加工参数设置步骤，用于根据产品外形尺寸信息及激光加工图档获取加工参数，并在一激光加工系统中设置激光加工参数；

加工区域定位步骤，用于通过一CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行抓取定位，并通过一电动Z轴调整焦点，以使产品表面处于激光的焦点位置；

加工控制步骤，用于通过一电动控制系统切换不同光路并根据所述激光加工参数控制分别对产品表面加工区域进行炫彩加工和磨砂加工。

2.如权利要求1所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述光路包括但不限于飞秒激光和纳秒激光。

3.如权利要求2所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述炫彩加工控制步骤进一步包括：

飞秒激光调整步骤，用于所述激光加工系统基于所述激光加工图档进行扩束并经一光束整形器件调整所述飞秒激光的光斑状态后输出至一振镜；

纳秒激光调整步骤，用于所述激光加工系统基于所述激光加工文档对纳秒激光经扩束后输出至所述振镜；

光束切换步骤，用于通过控制一电移台的移动遮挡或反射纳秒激光光束，以切换飞秒激光光束或纳秒激光光束输出。

4.如权利要求1-3中任一项所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述飞秒激光波长为1030nm，所述纳秒激光波长为1064nm。

5.如权利要求4所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述激光加工参数通过命名区分飞秒光源及纳秒光源，以便于所述激光加工系统通过区分两种后缀来控制不同激光器输出光源。

6.如权利要求5所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述飞秒激光和纳秒激光光源采用同一输出光路。

7.如权利要求6所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述激光加工参数包括但不限于脉冲宽度、泵浦电流、输出功率、脉冲重复频率、振镜打标速度、填充间距及填充角度。

8.如权利要求7所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述飞秒激光器的脉冲宽度为400-800fs，所述纳秒激光器的脉冲宽度为4-200ns。

9.如权利要求7所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述飞秒激光器的输出功率为1-5w，所述纳秒激光器的输出功率为1-20w。

10.如权利要求7所述的金属表面炫彩磨砂加工方法，其特征在于，所述飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz；所述纳秒激光器的脉冲重复频率为20-2000kHz。

Images