CN111531282A - 利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光打标技术领域，尤其涉及一种利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，包括如下步骤：在激光加工软件系统中输入产品外形尺寸信息，读取预先设计好的激光加工图档；利用CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行轮廓抓取定位，同时自动调整焦点高度，保证产品表面处于激光焦点位置；控制飞秒激光器和光束整形器件对产品表面加工区域进行炫彩打标，可以根据每块子区域炫彩效果要求的不同，设计不同的加工图档，在同一产品表面标记出不同效果的炫彩图案，采用该方法在镜面金属表面进行炫彩标记，改变金属表面的光学特性，在不同观察角度呈现不同颜色，颜色炫丽多变且鲜亮、均匀性好，可以在提升产品外观且提高产品附加值。
Description
技术领域
本发明涉及激光打标技术领域，尤其涉及一种利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法。
背景技术
在金属材料表面彩色加工领域传统的方法主要有两种，一种是在金属材料表面涂覆不同颜色的涂料，另外一种是通过电化学着色的方法，这两种方法都会带来严重的环境污染，特别是在贵重金属表面着色领域这两种方法又会造成贵金属纯度的变化，所以传统的这两种方法在高端金属材料表面色彩加工领域被逐步淘汰。
目前出现了采用激光对镜面金属材料表面进行彩色标记的技术手段，通常采用皮秒或纳秒激光来进行彩色标记，而皮秒或纳秒量级脉宽的激光作用到金属材料表面时，会在材料表面产业一层氧化膜，这层氧化膜会使光线产生干涉效应，最后产生颜色，但是氧化膜的厚度无法稳定控制，最后导致干涉产生的颜色不一，对最终炫彩效果造成影响。
发明内容
本发明针对现有的金属材料表面彩色加工方法存在的上述不足，提供了一种利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，该方法解决了现有技术中对金属材料表面彩色加工时采用在金属材料表面涂覆不同颜色的涂料的方法或采用通过电化学着色的方法，会带来严重的环境污染，特别是在贵重金属表面着色领域这两种方法又会造成贵金属纯度的变化的技术难题，同时也解决了使用皮秒或纳秒量级脉宽的激光作用到金属材料表面时，会在材料表面产业一层氧化膜，氧化膜的厚度无法稳定控制，最后导致干涉产生的颜色不一，对最终炫彩效果造成影响的技术难题。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，包括如下步骤：
S10、在激光加工软件系统中输入产品外形尺寸信息，读取预先设计好的激光加工图档；
S11、利用CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行轮廓抓取定位，同时自动调整焦点高度，保证产品表面处于激光焦点位置；
S12、控制飞秒激光器和光束整形器件对产品表面加工区域进行炫彩打标。
进一步地，所述飞秒激光器发出的激光束经过扩束镜和光束整形器件后再进入振镜，再经场镜聚焦后作用在产品表面加工区域。
进一步地，所述飞秒激光器采用1030nm波长的飞秒光纤激光器或355nm波长的紫外飞秒激光器。
进一步地，所述飞秒激光器发出的激光束通过扩束镜扩束到10mm，
进一步地，所述振镜重复定位精度小于10urad，所述振镜打标速度为1000-2500mm/s。
进一步地，所述激光加工图档根据不同标记区域炫彩效果要求的不同，分别设计不同的激光加工参数。
进一步地，所述激光加工软件系统可以根据不同标记区域激光加工参数，控制光束整形器件实时调整激光光斑状态。
进一步地，所述飞秒激光器的脉冲宽度为400-800fs，泵浦电流为45-75％，输出功率为1-5w。
进一步地，所述飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz。
进一步地，所述飞秒激光器控制填充间距为0.01-0.05mm，所述飞秒激光器控制填充角度根据炫彩效果要求做出相应变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，相比于传统的电化学、燃料涂覆等标记方法具有无化学污染、无接触、高效、稳定等优点，是高端金属材料表面着色领域最佳替代方案。
2、本发明提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法中采用飞秒激光，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加工条件，在金属材料表面进行多种周期性表面微纳条纹结构的加工，从而改变金属表面的光学特性，最后在不同观察角度呈现不同颜色，飞秒激光相对于纳秒激光而言，飞秒激光脉冲可精确快速地将能量注入到加工区域，具有快速去除材料的优势，同时可显著减少热影响区或裂缝的形成。
3、本发明提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法中在调试完激光加工软件系统与CCD视觉定位系统后，可直接导入设计好的加工图档，视觉软件直接在产品表面抓取出加工区域外轮廓，再引导激光在加工区域进行炫彩标记，同时还可以根据每块子区域炫彩效果要求的不同，设计不同的加工图档，在同一产品表面标记出不同效果的炫彩图案，采用这种方法在镜面金属表面进行炫彩标记，可以在提升产品外观的同时，大大提高产品的附加值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记方法所采用的系统的结构示意图；
图3为采用本发明实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法进行炫彩标记的效果图一；
图4为采用本发明实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法进行炫彩标记的效果图二；
图5为采用本发明实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法进行炫彩标记的效果图三。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”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。
下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的利用飞秒激光在镜面金属表面进行炫彩标记的方法，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，包括如下步骤：
S10、在激光加工软件系统中输入产品外形尺寸信息，读取预先设计好的激光加工图档；
S11、利用CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行轮廓抓取定位，同时自动调整焦点高度，保证产品表面处于激光焦点位置；
S12、控制飞秒激光器和光束整形器件对产品表面加工区域进行炫彩打标。
本实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法中在调试完激光加工软件系统与CCD视觉定位系统后，可直接导入设计好的加工图档，视觉软件直接在产品表面抓取出加工区域外轮廓，再引导激光在加工区域进行炫彩标记，同时还可以根据每块子区域炫彩效果要求的不同，设计不同的加工图档，在同一产品表面标记出不同效果的炫彩图案，采用这种方法在镜面金属表面进行炫彩标记，可以在提升产品外观的同时，大大提高产品的附加值。
本实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法的加工对象为镜面金属材料，表面呈现镜面状态，材料表面状态会对飞秒激光作用产生的周期性微纳条纹结构造成影响，进而影响最终炫彩效果，本实施例提供的炫彩标记的方法可以针对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进行炫彩标记。
如图2，本实施例中所述的炫彩加工主要通过激光加工软件和CCD视觉定位系统来进行控制，其中激光加工系统主要包括飞秒激光器、光路系统、振镜、场镜、工控机、定制的激光加工软件系统；CCD视觉定位系统主要包括工业相机、镜头、光源、光源控制器、定制的视觉定位软件等，光源的光照射在待打标物体表面反射后透过设置在光源上方的全返镜进入视觉定位模块，所述视觉定位模块包括光学镜头和工业相机，进而可以实现通过定制的视觉定位软件控制视觉模块和十字滑台来实现对待打标物体进行轮廓抓取定位，使得打标定位更加精准，可以精确的抓取出待打标物体的轮廓来进行打标。
本发明实施例提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，通过在激光加工软件系统中输入产品外形尺寸信息，读取预先设计好的激光加工图档，利用CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行轮廓抓取定位，同时控制电动Z轴自动调整焦点高度，保证产品表面处于激光焦点位置，再控制飞秒激光器和光束整形器件对产品表面加工区域进行炫彩标记，通过飞秒激光与加工区域材料之间的相互作用，在金属表面形成周期性的微纳条纹结构，最终形成颜色多变的炫彩效果，现有的彩色打标方案多数为实现多色的结构色效果、制备出彩色图案与浮雕等，相比于目前现有的方案，利用本实施例提供的方法可对镜面金属材料进行炫彩标记，制备出颜色随视角变化而不断变化的彩色金属，且颜色炫丽多变，且颜色鲜亮，均匀性好(如图3-5)。
本实施例提供的炫彩标记方法中所述飞秒激光器发出的激光束经过扩束镜和光束整形器件后再进入振镜，再经场镜聚焦后作用在产品表面加工区域，为保证最终通过F-Theta场镜聚焦后的光斑满足炫彩标记需要的30um的要求，将飞秒激光器发出的激光束通过扩束镜扩束到10mm，而光束整形器由激光加工系统进行控制，通过读取不同标记区域炫彩图档参数，实时调整加工光斑光学状态，最终标记出要求的炫彩效果。
本实施例中采用1030nm波长的飞秒光纤激光器或355nm波长的紫外飞秒激光器进行炫彩标记工作。
本实施例中所述振镜重复定位精度小于10urad，振镜重复精度高，每条加工出的条纹间隔一致，可以避免出现水波纹对炫彩效果造成影响，本实施例中所述振镜打标速度1000-2500mm/s，振镜的打标速度过低会导致相邻光斑之间的周期性结构互相产生干扰，打标速度过高会导致周期性结构无法连接过渡。
本实施例中提供的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法中所述激光加工图档根据不同标记区域炫彩效果要求的不同，分别设计不同的激光加工参数，所述激光加工软件系统可以根据不同标记区域激光加工参数，控制光束整形器件实时调整激光光斑状态。本实施例中所述的激光加工参数包括但不仅限于飞秒激光器的脉冲宽度、泵浦电流、输出功率、脉冲重复频率、打标速度、填充间距和填充角度等。
本实施例中所述飞秒激光器的脉冲宽度为400-800fs，飞秒量级的激光脉冲可以在金属材料表面更好地标记出周期性的微纳条纹结构，而皮秒或者纳秒量级脉宽的激光在作用到金属材料表面时，会在材料表面产生一层氧化膜，这层氧化膜会使光线产生干涉效应，最后产生颜色，但是氧化膜的厚度无法稳定控制，最后导致干涉产生的颜色不一，对最终炫彩效果造成影响；本实施例中采用的泵浦电流为45-75％，输出功率为1-5w，采用该范围内的激光功率可以在镜面金属材料表面标刻出清晰的周期性微纳条纹结构，如果功率过低则无法在镜面金属材料表面形成周期性微纳条纹结构，如果功率过高则会对周期性微纳条纹结构造成破坏。
本实施例中所述飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz，采用较低的重复频率会导致整体平均功率过低，无法产生明显的周期性条纹，采用较高的重复频率会导致单个脉冲能量不够，无法在金属材料表面产生周期性结构，本实施例中飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz，该范围内脉冲重复频率适于镜面金属材料炫彩标记过程，可以更好地在镜面金属材料表面产生周期性结构。
本实施例中所述飞秒激光器控制填充间距为0.01-0.05mm，填充间距太密则会影响相邻光斑的周期性结构，使得炫彩效果变得暗沉，填充间距太稀则会导致炫彩效果不会那么鲜亮，同时本实施例中所述飞秒激光器控制填充角度根据炫彩效果要求做出相应变化，不同的填充角度可以在同一视角产生不同的炫彩效果，本实施例中根据整体炫彩效果要求，对每个区域采用不同的填充角度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要变化在所附的权利要求限定和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (10)
1.一种利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S10、在激光加工软件系统中输入产品外形尺寸信息，读取预先设计好的激光加工图档；
S11、利用CCD视觉定位系统对产品表面加工区域进行轮廓抓取定位，同时自动调整焦点高度，保证产品表面处于激光焦点位置；
S12、控制飞秒激光器和光束整形器件对产品表面加工区域进行炫彩打标。
2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述飞秒激光器发出的激光束经过扩束镜和光束整形器件后再进入振镜，再经场镜聚焦后作用在产品表面加工区域。
3.根据权利要求2所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述飞秒激光器采用1030nm波长的飞秒光纤激光器或355nm波长的紫外飞秒激光器。
4.根据权利要求2所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述飞秒激光器发出的激光束通过扩束镜扩束到10mm。
5.根据权利要求2所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述振镜重复定位精度小于10urad，所述振镜打标速度为1000-2500mm/s。
6.根据权利要求1所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述激光加工图档根据不同标记区域炫彩效果要求的不同，分别设计不同的激光加工参数。
7.根据权利要求6所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述激光加工软件系统可以根据不同标记区域激光加工参数，控制光束整形器件实时调整激光光斑状态。
8.根据权利要求6所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述飞秒激光器的脉冲宽度为400-800fs，泵浦电流为45-75％，输出功率为1-5w。
9.根据权利要求6所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述飞秒激光器的脉冲重复频率为50-1000kHz。
10.根据权利要求6所述的利用飞秒激光在镜面金属材料表面进行炫彩标记的方法，其特征在于：所述飞秒激光器控制填充间距为0.01-0.05mm，所述飞秒激光器控制填充角度根据炫彩效果要求做出相应变化。
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