Лазерный мир

Дранова Алина Юрьевна, аспирант Михеева Валерия Сергеевна Сомкина Полина Дмитриевна, студенты Научный руководитель: Пряхин Евгений Иванович д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины Ⅱ» / В сборнике: Актуальные вопросы науки и образования. Сборник статей III Международной научно-практической конференции. Петрозаводск, 2026. С. 161-166.

Аннотация: в работе исследовано влияние исходной шероховатости поверхности опытных образцов из аустенитных коррозионностойких сталей 08Х18Н10 и 12Х18Н10Т на качество лазерной маркировки. Эксперимент проведен с применением волоконного лазера МиниМаркер-2. В процессе изучения варьировались мощность и скорость излучения для получения разной контрастности на поверхности у опытных образцов. Контрастность маркировки оценивалась по оптическим изображениям. Полученные данные свиде- тельствуют о стабилизирующем влиянии титана на формирование оксидной пленки в условиях неравномерного локального нагрева микронеровностей. Шлифованная поверхность (Ra<1 мкм) рекомендуется в качестве базовой для подбора оптимальных режимов лазерной маркировки, так как на ней достигается максимальная контрастность (90-94%) с минимальным разбросом значений.

Лазерная маркировка является неотъемлемым элементом современных производственных процессов, обеспечивающая идентификацию изделий на всех этапах жизненного цикла – от изготовления до утилизации. В условиях цифровизации промышленности требования к надежности, скорости нанесения и информационной безопасности идентификационных знаков существенно возросли. Традиционные методы нанесения маркировки – механическая гравировка, нанесение краской, химическое травление – не отвечают этим требованиям из-за ограничения стойкости изображения и низкой производительности.

Лазерная технология устраняет указанные ограничения: изображение формируется в поверхностном слое материала без расходных материалов и механического контакта, что обеспечивает экологическую безопасность процесса и исключает износ инструмента. Маркировка лазером обладает устойчивостью к термическим воздействиям и механическому истиранию [1].

Целью настоящей работы является установление количественных зависимостей контрастности лазерной маркировки от исходной шероховатости поверхности для аустенитных коррозионностойких сталей 08Х18Н10 и 12Х18Н10Т.

При лазерной маркировке поверхность стальных изделий поглощает энергию, нагреваясь до 800-1200oC. Это вызывает термическое окисление хрома с формированием оксидной пленки толщиной 50-300 нм, что приводит к изменению отражательной способности поверхности. Одновременно происхо- дит локальное плавление поверхностного слоя с последующей быстрой кристаллизацией, формирующей микронеровности. В стали 12Х18Н10Т карбиды титана подавляют мартенситные превращения в приповерхностном  слое при термических циклах, обеспечивая структурную стабильность зоны маркировки.

Химический состав сталей определяет базовые теплофизические свойства, влияющие на взаимодействие материала с лазерным излучением. Однако конечное качество маркировки в равной степени зависит от состояния поверхности заготовки, в первую очередь от ее микрорельефа. Шероховатость поверхности выступает критическим фактором, модулирующим эффективность поглощения лазерной энергии и однородность термических процессов в зоне маркировки.

Шероховатость поверхности – это совокупность микронеровностей рельефа, образующихся в результате механической обработки материала. Шероховатость количественно характеризуется параметрами профиля, основным из которых является Ra – среднее арифметическое отклонение профиля.

На производстве диапазон шероховатости поверхности перед маркировкой варьируется от полированных поверхностей (Ra<1 мкм) до сильно шероховатых (Ra>10  мкм). Для формирования контролируемых уровней шероховатости в данной работе применена механическая абразивная обработка. Шероховатость поверхности влияет на процесс лазерной маркировки двумя механизмами. Во-первых,  микронеровности создают условия для многократных отражений излучения. Во-вторых, неравномерное распределение энергии по вершинам и впадинам микрорельефа приводит к неоднородному нагреву.

В работе использованы пластины размером 50х50х1 мм для исследования влияния исходной шероховатости на качество маркировки были подготовлены три серии образцов с контролируемым уровнем шероховатости:

1. Ra ≈ 0,2 мкм;
2. Ra ≈ 3-4 мкм;
3. Ra ≈ 5-6 мкм.

Контроль параметром Ra осуществлялся профилометром Mitutoyo. Маркировка выполнена с применением волоконного лазера Мини-Маркер-2. Для каждой из трех серий образцов проведен многофакторный эксперимент с варьированием параметров мощности и скорости излучения.

Исследовательская работа выполнена с применением волоконного лазера Мини-Маркер-2.

Для количественной оценки качества лазерной маркировки было применено колориметрическое моделирование [3], основанное на анализе изображений в цветовой модели RGB. RGB – это цветовая модель, в которой любой цвет получается путем смешивания трех основных световых компонентов: красный (R), зеленый (G) и синий (B). В цифровых системах (компьютеры, камеры, телефоны) каждый  элемент изображения представляется числом. Этот подход позволил перевести субъективное впечатление о контрастности маркировки в конкретные числовые значения. Методология включала несколько последовательных шагов – фотосъемка образцов, анализ полученных изображений, расчет контрастности. Для каждого модуля извлекались усредненные значения трех основных цветовых компонентов.

Полученные данные представляют собой матрицу для каждого уровня шероховатости. Для выявления закономерностей и сравнительного анализа материалов данные были преобразованы в линейные графики, где по оси  абсцисс указан порядковый номер эксперимента, а по оси ординат – измеренная контрастность. Вертикальные переходы на графиках соответствуют переходу между скоростями лазерного излучения.

Задачи исследования:

1. Провести многофакторный эксперимент с варьированием мощности и скорости излучения с количественной оценкой шероховатости и контрастности.
2. Построить функциональные зависимости контрастности от исходной шероховатости поверхности.

В работе использованы две аустенитные коррозионностойкие стали — 08Х18Н10  и  12Х18Н10Т.  Обе  марки  имеют  схожие  физико-химические свойства, что определяет их использование для изделий, требующих обеспечения коррозионной стойкости и для которых нужна обязательная маркировка (медицинское оборудование, пищевая промышленность). В то же время различия в легировании определяют специфику их реакции на лазерное излучение [2]. Результаты спектометрии представлены на рис. 1 и 2.

Анализ графиков распределения контрастности (рис.3) показывает, что: с ростом шероховатости область контрастности выше 80% сужается для обеих сталей, но неравномерно. Легирование титаном (сталь 12Х18Н10Т) повышает технологическую устойчивость лазерной маркировки за счет стабилизации  оксидной пленки. Шлифованная поверхность (Ra<1 мкм) рекомендуется в

качестве базовой для подбора оптимальных режимов лазерной маркировки, так как на ней достигается максимальная контрастность (90-94%) с минимальным разбросом значений. Полученные «базовые» параметры (мощность, скорость) могут быть скорректированы для различных уровней шероховатости.

Вывод:

1. Проведен многофакторный эксперимент с варьированием параметров лазера на трех уровнях шероховатости. Установлено, что легирование титаном (сталь 12Х18Н10Т) повышает технологическую устойчивость лазерной маркировки на 20% при высокой шероховатости поверхности.
2. Построены функциональные зависимости контрастности от исходной шероховатости поверхности. Для повышения точности и воспроизводимости алгоритмов подбора режимов целесообразно проведение дальнейших экспериментов на шлифованной поверхности (Ra<1) для построения базовых моделей подбора режимов с последующей адаптацией к заготовкам с разной шероховатостью.