摘要
激光彩色打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射进而留下永久性彩色标记的一种打标方法。激光金属着色技术仍存在许多工艺上的难题，如缺乏合理的工艺参数与颜色的定量关系模型、颜色种类偏少、样品亮度偏暗等问题，尚未得到完美解决。研究各个参数及参数耦合对着色结果的影响和表面生成薄膜的性质，并构建清晰的着色机理，对解决这些难题具有重要意义。 与主流研究对象(如不锈钢)相比，钛在着色反应过程中生成的氧化层物质组分相对简单，更有利于分析着色膜的形成。因此，本文基于TA2工业纯钛，选用波长为1064nm、最大输出功率为20W的MOPA光纤激光器进行激光打标实验，使用分光测色仪对彩色样品的色彩和可见光谱进行采集分析，通过分析各参数及参数耦合产生的着色规律，进一步建立了氧化层着色模型。主要的研究内容和成果主如下: (1)通过控制变量法，研究钛板上单个工艺参数对激光着色的影响。线间距、扫描速度、激光功率和脉冲重复频率的变化直接影响打标结果:随着线间距、扫描速度增大，颜色变化与干涉现象中膜变薄产生的颜色变化一致;随着激光功率增大，颜色变化与干涉膜变厚引起的颜色变化一致;随着脉冲重复频率增加，激光诱导表面生成的颜色变化先红移再蓝移。在13～27ns范围内脉宽变化对打标效果没有明显影响，功率与脉宽的比值决定了随脉冲重复频率增加时，表面颜色变化趋势发生改变的阈值。 (2)探究了参数之间的耦合关系，通过分析激光脉冲作用于钛板上的累计数目，简化了参数耦合关系，进而提出累注步长△Q(累注步长为累积注量单次变化步长)模型;本文通过探究改变累注步长的方法，获得了颜色较全的色彩板(色彩板为激光在钛板上打标获得的颜色库，并按照累积注量大小排列)。通过分析该色彩板的相邻色差随着累积注量增加的变化曲线，发现颜色变化不是渐变的，而是会产生两次颜色的突变。分析色彩板的颜色变化，整个过程中干涉级共变化了3级。 (3)根据累积注量增加颜色发生两次突变这一现象，并结合XRD物相分析，提出了“三阶段的三层氧化层”模型:第一阶段为“透明氧化层——钛板基底”双层模型;第二阶段为“透明氧化层——吸收层——钛板基底”三层模型，吸收层厚度为73nm;第三阶段为“透明氧化层——吸收层——钛板基底”三层模型，吸收层厚度为114nm。基于该理论模型的预测色差小于6，在人眼可接受范围内，可以用来预测不同颜色对应的膜厚度。另外分析了表面形貌对预测模型产生的影响，表面不均匀会导致模型的预测结果相对于实验结果产生偏差。
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