申请/专利权人：天津科技大学

申请日：2019-07-12

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN110405347B

主分类号：B23K26/352

分类号：B23K26/352;B23K26/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2019.11.29#实质审查的生效;2019.11.05#公开

摘要：本发明涉及一种超声辅助激光不锈钢着色的方法及装置，在通过激光打标方法对不锈钢着色的同时对不锈钢施加超声振动。本发明在不锈钢上打标出来的颜色更加均匀、稳定，更适合超声波打标着色技术的推广应用。

主权项：1.一种超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：在通过激光打标方法对不锈钢着色的同时对不锈钢施加超声振动，将待加工不锈钢板放置在超声振动台上，控制激光扫描方向与超声振动方向成60~90°角，控制超声波的工作频率在19kHz-20kHz之间，控制激光打标参数为：激光离焦距离为215-221mm，打标间距为0.005-0.05mm，激光扫描速度为100-1100mms，使得高斯光源的波峰部分向边缘扩展、拉伸。

全文数据：一种超声辅助激光不锈钢着色的方法及装置技术领域本发明属于激光打标技术领域，涉及不锈钢着色，尤其是一种超声辅助激光不锈钢着色方法及装置。背景技术不锈钢材料制品逐渐成为人们日常生活中不可缺少的金属材料，日常生活中的许多生活用具都是由不锈钢制作的，例如不锈钢碗筷、不锈钢水杯、不锈钢水池等等。随着人们生活水平的提高，人们对产品的追求不仅仅局限在其功用方面更在产品的外观特色、艺术气质等附加价值方面越来越多的提出了要求。对于不锈钢制品来说，不锈钢材料具有足够好的耐蚀性和机械性能来满足人们在对其功能上的需求，但不锈钢制品颜色单一，均为简单的银白色，不能满足人们的需求。于是，在不锈钢表面着色的技术便应运而生，常见的方法有涂漆、化学、电化学等。而激光打标技术诱导不锈钢表面着色是一种新型的技术。其基本原理是以激光作为热源，使被照射的金属表面在空气或者氧气的环境中生成一层氧化膜。而显色原理主要有氧化膜中某些成分自身的颜色以及表面半透明氧化膜的薄膜产生的干涉效应。激光打标技术着色相比传统金属着色方法的优势在于其无接触，无切削力，热影响区小，加工精度高，对加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度大，特别适用于自动化加工，加工过程清洁环保无污染等。激光打标着色技术虽然相比传统的金属着色技术有很多优势，但也有很多现有技术手段无法克服的缺点，而这也是制约其广泛推广和应用的主要原因。其缺点主要有膜层的均匀性差，着色时膜层色彩会出现斑驳、不均匀现象，重复性不够理想等问题。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种超声辅助激光不锈钢着色方法，在传统激光打标的技术上加上超声波振动。添加超声波振动后打标出来的颜色更加均匀、稳定，更适合超声波打标着色技术的推广应用。本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种超声辅助激光不锈钢着色的方法，在通过激光打标方法对不锈钢着色的同时对不锈钢施加超声振动。而且，将待加工不锈钢板放置在超声振动台上。而且，控制激光扫描方向与超声振动方向成0～90°角。而且，控制激光扫描方向与超声振动方向成60～90°角。而且，控制超声波的工作频率在19kHz-20kHz之间。而且，控制激光打标参数为：激光离焦距离为215-221mm，打标间距为0.005-0.05mm，激光扫描速度为100-1100mms。而且，在激光打标之前对待加工不锈钢表面进行清洗处理。一种超声辅助激光不锈钢着色的装置，包括激光打标装置及超声发生装置，所述的激光打标装置包括依次连接的激光器控制器、激光器、扫描振镜系统，所述的超声发生装置包括依次连接的超声波振动台、超声波控制器，在超声波振动台上通过夹具固定待加工不锈钢板，在待加工不锈钢板的上方间隔一定距离安装扫描振镜系统。而且，所述的夹具包括至上而下依次连接的上转盘、Y向移动盘、X向移动盘，在超声振动台的顶面沿X方向制有X向滑道，在X向移动盘的底面制有X向移动滑块，在X向移动盘的顶面沿Y方向制有Y向滑道，在Y向移动盘的底面制有Y向移动滑块，Y向移动盘与上转盘通过轴连接，在上转盘上制有指示线，在Y向移动盘顶面制有刻度，所述待加工不锈钢板粘贴在上转盘的顶面，位置固定后，通过在各个方向设置的定位卡扣锁紧位置。本发明的优点和积极效果是：1、本发明在激光扫描的过程中同时有超声振动，使得高斯光源的波峰部分向边缘扩展、拉伸，这就使得生产的氧化膜随之更加均匀化，产生的色块上颜色分布均匀，很少有跳色和杂色的出现。2、添加超声波振动后打标出来的颜色更加均匀、稳定，更适合超声波打标着色技术的推广应用。附图说明图1为超声辅助激光不锈钢着色装置结构示意图；图2为夹具结构示意图；图3为本发明加工方法示意图；图4为高斯光源加载在不锈钢表面的示意图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。一种超声辅助激光不锈钢着色的装置，包括激光打标装置及超声发生装置，所述的激光打标装置包括依次连接的激光器控制器6、激光器5、扫描振镜系统4，所述的超声发生装置包括依次连接的超声波振动台2、超声波控制器1，在超声波振动台上通过夹具3固定待加工不锈钢板，在待加工不锈钢板的上方间隔一定距离安装扫描振镜系统。所述的夹具包括至上而下依次连接的上转盘7、Y向移动盘9、X向移动盘10，在超声振动台的顶面沿X方向制有X向滑道11，在X向移动盘的底面制有X向移动滑块，通过X向移动滑块使X向移动盘在X向滑道内滑动，在X向移动盘的顶面沿Y方向制有Y向滑道12，在Y向移动盘的底面制有Y向移动滑块，通过Y向移动滑块使Y向移动盘在Y向滑道内滑动，Y向移动盘与上转盘通过轴连接，在上转盘上制有指示线，在Y向移动盘顶面制有刻度。所述待加工不锈钢板8粘贴在上转盘的顶面，通过旋转上转盘调节其转动角度，通过移动Y向移动盘调节其Y向位置，通过移动X向移动盘调节其X向位置。位置固定后，通过在各个方向设置的定位卡扣锁紧位置。本发明采用大族激光公司的HANSlaserEP-20-SHG激光器，激光输出波长为532nm，输出功率为0-25W，重复频率为0-100kHz连续可调，输出激光的脉宽处于10-200ns，电脑调节激光工艺参数，驱动控制激光器的激光能量输出，以及驱动振镜系统控制的激光运动。激光器可以调节七个参数控制激光的输出和运动：其中“电流”和“Q释放”参数调节输出激光的峰值功率和脉宽，“Q频率”参数调节激光脉冲的频率和功率，“离焦量”参数调节激光作用在材料表面的能量密度和范围，“扫描速度”参数调节脉冲激光的间距，“线宽”参数调节激光打标成的线与线的间距，“打标次数”参数调节在同一区域激光作用的次数。本发明采用温州市特加机电科技有限公司的S-888ZNCS-2型超声波发生器，输出功率为0-4200W，输出电压为0-3000V，正弦波参数为≥97％，输入功率因素为为≥80％，工作频率为15KHz20kHz28kHz30kHz35kHz40kHz可选，工作电源为AC220V50Hz。对于超声波振动台将工作频率固定在19-20kHz之间，其他参数设置为默认。本发明待加工不锈钢板为AISI304不锈钢，尺寸为30mm×30mm×1mm。材料表面的污渍会影响本发明效果，加工前对加工光面进行必要的清洁预处理。将“Q电流”设置为40-45A，“Q释放”设置为1-10μs，着色效果较好，其余参数的设置为离焦距离设置从215-221mm；打标间距设置为0.005-0.05mm；扫描速度为100-1100mms。激光加工过程中，由一端起逐点扫描成线，再另起一行从另一端往前一端扫描，线与线构成色块区域。加上超声波振动，调节激光扫描方向和超声波振动方向分别成0°～90°角。激光扫描方向的改变通过旋转扫描振镜系统来实现。表1-打标间距为0.005mm～0.015mm时的着色效果表2-打标间距为0.015mm～0.03mm着色效果表3-打标间距为0.03mm～0.05mm时着色效果表4激光扫描方向与超声波振动方向所成角度在0°～90°时的着色效果激光实际打标过程是：激光器输出高重复频率的激光脉冲，激光经过振镜的反射再由镜头聚焦到不锈钢表面，在振镜摆动下激光脉冲在不锈钢表面的作用区由点展开成线、由线填充成面。根据打标过程和激光热作用时间长短，可划分出三个热作用阶段：单脉冲作用阶段，表示一个单脉冲的热作用过程，作用时长为纳秒级；热累加阶段，表示激光脉冲打标成线的过程，相邻脉冲的打标间隔为微秒级；已氧化阶段，表示激光打标的“线”形成面的过程或是同一区域重复打标的过程，打标过的不锈钢表面会发生氧化反应。氧化反应后形成的氧化膜对自然光折射和衍射的结果是金属表面产生各种颜色的主要原因。而激光光源的模式分布认为是高斯基模，如图4所示。高斯光源的分布使得在中间波峰处能量较为集中，在金属表面加热产生的温度场较边缘部分更明显，产生氧化膜的厚度也较边缘部分更加均匀，厚度更厚，所以才会出现不加超声波时色块边缘部分有杂色、跳色现象的出现，而加了超声波振动以后在激光扫描的过程中同时有超声振动，使得高斯光源的波峰部分向边缘扩展、拉伸，这就使得生产的氧化膜随之更加均匀化，产生的色块上颜色分布均匀，很少有跳色和杂色的出现。进一步分析发现，相比于不加超声波振动的打标，加了超声波振动的不锈钢板上所形成的氧化膜厚度分布更均匀。不加超声波振动时氧化膜厚度在200nm-400nm之间，且在整个色块上分布很不均匀，色块边缘部分氧化膜厚度和色块中间部分氧化膜厚度相差较大，差值在50nm-200nm之间，而加上超声波振动以后整个色块上氧化膜厚度分布比较均匀，基本稳定在400nm-500nm之间，色块边缘部分的氧化膜厚度和色块中间部分的氧化膜厚度相差也不大，差值在10nm-50nm之间。超声波振动台的工作频率在20kHz左右，激光扫描方向与振动方向成60°-90°的角度时，对于纳秒激光不锈钢着色技术有着很好的促进效果。以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：在通过激光打标方法对不锈钢着色的同时对不锈钢施加超声振动。2.根据权利要求1所述的超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：将待加工不锈钢板放置在超声振动台上。3.根据权利要求1或2所述的超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：控制激光扫描方向与超声振动方向成0～90°角。4.根据权利要求3所述的超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：控制激光扫描方向与超声振动方向成60～90°角。5.根据权利要求1或2所述的超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：控制超声波的工作频率在19kHz-20kHz之间。6.根据权利要求1或2所述的超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：控制激光打标参数为：激光离焦距离为215-221mm，打标间距为0.005-0.05mm，激光扫描速度为100-1100mms。7.根据权利要求1或2所述的超声辅助激光不锈钢着色的方法，其特征在于：在激光打标之前对待加工不锈钢表面进行清洗处理。8.一种超声辅助激光不锈钢着色的装置，其特征在于：包括激光打标装置及超声发生装置，所述的激光打标装置包括依次连接的激光器控制器、激光器、扫描振镜系统，所述的超声发生装置包括依次连接的超声波振动台、超声波控制器，在超声波振动台上通过夹具固定待加工不锈钢板，在待加工不锈钢板的上方间隔一定距离安装扫描振镜系统。9.根据权利要求8所述的超声辅助激光不锈钢着色的装置，其特征在于：所述的夹具包括至上而下依次连接的上转盘、Y向移动盘、X向移动盘，在超声振动台的顶面沿X方向制有X向滑道，在X向移动盘的底面制有X向移动滑块，在X向移动盘的顶面沿Y方向制有Y向滑道，在Y向移动盘的底面制有Y向移动滑块，Y向移动盘与上转盘通过轴连接，在上转盘上制有指示线，在Y向移动盘顶面制有刻度，所述待加工不锈钢板粘贴在上转盘的顶面，位置固定后，通过在各个方向设置的定位卡扣锁紧位置。

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