Лазерный мир

Баландина Л. Н., Попов К. Л. // «Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии», с:5

1. Введение
На сегодняшний день лазерная маркировка – перспективное и динамично развивающееся технологическое направление. Прогресс в области электроники и программного обеспечения существенно повышает конкурентоспособность лазерных методов маркировки по сравнению с традиционными методами маркировки. Хотя процесс нанесения цветных изображений на металлические поверхности широко распространён, существует нехватка теоретических сведений о происходящих физических процессах и влиянии параметров маркировки на конечный результат.
Целью нашей работы является выведение закономерностей получения цветных изображений для различных материалов.

Суть цветной маркировки заключается в образовании оксидных пленок соответствующего состава на поверхности материала.

Этот процесс представляет собой химическую реакцию, где повышение температуры поверхности образца, вызываемое воздействием лазерного луча выступает в роли катализатора процесса.

На сегодня, несмотря на многообразие лазеров, реальное коммерческое  применение для маркировки получили системы с твердотельными лазерами с длиной волны 1,06 мкм и СО2-лазерами (10,6 мкм).

Твердотельные лазеры (в отличие от лазеров на СО2) за счет модуляции добротности могут генерировать мощные импульсы высокой частоты (до десятков кГц) при низкой средней мощности излучения (десятки ватт), обеспечивая плотность мощности излучения в зоне контакта на уровне 108 Вт/см2 и более. Такие параметры обеспечивают интенсивное воздействие излучения на материал при минимальном общем его нагреве. Это позволяет применять твердотельные лазеры для маркировки металлов, тугоплавких сплавов и сталей, высокотвердой керамики в различных отраслях промышленности.

Процесс лазерной маркировки состоит в модификации поверхности материала под действием лазерного излучения. Оно вызывает локальный разогрев, плавление и частичное испарение материала в области, ограниченной размерами пятна излучения, что обусловливает высокую степень разрешения при небольшом термомеханическом воздействии на маркируемое изделие.

Все твердотельные лазеры, используемые для маркировки, имеют несколько оптимизируемых параметров: частоту и длительность импульса, распределение мощности по пятну нагрева и т.д. Известно, что для лазеров, например с ламповой накачкой, оптимальный диапазон частоты при маркировке металлов составляет 2–5 кГц, а использование такой частоты в ОВ-лазере вообще невозможно. Если, например, сравнивать режимы маркировки в разных системах при одинаковой мощности лазерного излучения, то корректного результата мы не получим, так как временные и энергетические характеристики импульсов различны, не говоря о существенных различиях пространственных характеристик излучения.

2. Условия появления цветного изображения
Как показано в таблице 1, параметром, характеризующим образование оксидной пленки той или иной структуры и цвета, может служить интеграл от температуры поверхности мишени по времени (Ф). Как видно из таблицы 1, каждому цвету
соответствует свое значение интегральной температуры, которая при широком изменении параметров режима (мощности, скорости, частоты) лежит в узком диапазоне: для красного цвета 1,12–1,30, для голубого 0,49–0,57, для желтого 1,04–1,09 [3]. Это напоминает закон Бунзена-Росно (в фотохимии): количество продукта фотохимической реакции определяется общим количеством энергии падающего излучения, то есть произведением мощности излучения на время действия, или обобщенным параметром – экспозицией (количеством освещения). При этом фотохимический эффект не меняется для различных значений обобщенного параметра.
Отметим, что цветная маркировка может быть получена и у лазеров с диодной и даже с ламповой накачкой. Однако этот эффект неустойчивый («плавающий») и трудно  воспроизводимый. Условие постоянства интегральной температуры является, видимо, необходимым, но для получения эффекта цветной маркировки, требуются еще какие-то условия, связанные с пространственно-временными характеристиками излучения и их стабильностью. Именно эти последние условия выполняются у ОВ-лазеров, что и определяют возможность получения цветной маркировки.
Эффект цветной лазерной маркировки и возможность его использования требуют дальнейших исследований и изучения, однако уже можно твердо говорить о нем, как о новой технологии.

Строгого совпадения в обозначении цветов и в фиксировании температур не наблюдается. Ведь качественная оценка цвета — дело чисто субъективное. Главное же, существенное влияние на получение того или иного цвета побежалости оказывает продолжительность нагрева. Более или менее продолжительной обработкой можно вызвать посинение железа при температуре более низкой, чем считающаяся необходимой для вызова даже соломенно-желтой окраски. Точно так же соломенно-желтый налет на железо-стальные изделия можно навести, выдержав последние необходимое число минут при температуре, на несколько десятков градусов более низкой, чем 220°.

С другой стороны, можно поставить нагреваемые предметы в условия, при которых желательные цветовые тона получались бы при сравнительно более высоком нагреве.
При увеличении числа прохождений лазерного излучения по одной и той же поверхности наблюдается изменение цвета оксидной пленки.

Цвета побежалости можно вызывать как на закаленной, так и незакаленной стали и на ковком железе и чугуне столь же хорошо, как и на сталях. При этом состав сплава и структура поверхностной пленки оказывают заметное влияние. Закаленный металл принимает нюансировку медленней, чем мягкий. Значительно сказывается загрязненность поверхности металла. Также имеет значение и чисто механическое состояние поверхности металла, степень ее шероховатости и т п. В зависимости от толщины оксидные пленки на металлах принято подразделять на тонкие (невидимые) толщиной до 40 нм, средние (видимые как цвета побежалости), имеющие толщину 40-500 нм; толстые (видимые) толщиной более 500 нм. Скорость окисления металлов зависит от скорости собственно химической реакции и скорости диффузии окислителя через пленку. Поэтому защитные свойства пленки тем выше, чем лучше се сплошность и ниже диффузная способность. Оксидная пленка, обладающая защитными свойствами, должна удовлетворять следующим требованиям: быть сплошной, беспористой; иметь хорошее сцепление с металлом; иметь коэффициент термического расширения, близкий к величине этой характеристики для металла; быть химически инертной по отношению к данной агрессивной среде; обладать достаточной твердостью и износостойкостью. Если образовавшаяся оксидная пленка пористая, рыхлая и имеет плохое сцепление с металлом, то даже при условии ее инертности к данной агрессивной среде она не будет характеризоваться защитными свойствами.
Пиллинг и Бедвордс сформулировали условие, при котором образуются сплошные пленки, способные препятствовать дальнейшему окислению металла.
Условие сплошности состоит в том, что молярный объем оксида должен быть больше объема металла V(Me), израсходованного на образование оксида, иначе оксида не хватит, чтобы покрыть металл сплошным слоем. Отношение молярного объема оксида к объему израсходованного металла называется фактором Пиллинга – Бедвордса.

Полное содержание статьи: http://studvesna.qform3d.ru/db_files/articles/424/article.pdf