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 激光不銹鋼打標
不銹鋼的發明，還要追溯到一戰時期。為了解決槍膛磨損的問題，英國冶金專家Harry Brearley開展了合金鋼的研制工作，實驗中卻無心插柳地發現合金鋼中添加鉻、鎳等元素能使鋼材具有優良的防銹性能。時至今日，這種材料已經家喻戶曉，由于其出色的耐蝕、耐磨等性能，在家電、廚具、汽車、建材、醫療器械等行業被廣泛采用。

生產生活中，不銹鋼制品經常被打上數字、條形碼、二維碼、圖案等，以滿足產品溯源或是美觀的需要。激光打標綠色、高效、柔性高、可永久保留，已廣泛應用于不銹鋼制品標識，打白、打黑則是常采用的標記方式。激光作用于不銹鋼材質，還可以產生五彩斑斕的彩色，在彩色不銹鋼層出不窮地應用于建筑、汽車、工藝美術等領域的今天，激光彩色打標為人們提供了一種全新、高效的解決方案。化學著色、電化學著色等傳統制備彩色不銹鋼的方法能耗高、污染大、難于實現精細著色，相比之下，不銹鋼激光彩色打標具有獨到的優勢。

探秘激光彩色打標
1999年，Ann Marie Carey在鈮碗上進行了激光彩色打標的初步嘗試，使金屬工藝品和珠寶的激光彩色打標變得切實可行。此后，激光彩色打標的應用范圍不斷擴大，也成為增加產品附加值的一種新型工藝手段。

不銹鋼材質在激光熱源的作用下，表面生成有色氧化物，或是生成一層無色透明的氧化膜，由于光的薄膜干涉效應而呈現各種顏色，這是不銹鋼彩色打標的基本原理。

不銹鋼中的金屬元素氧化后的產物本身會呈現顏色。表1為不銹鋼表層經激光作用氧化后幾種主要氧化物的顏色。

在合適的激光能量作用下，不銹鋼表面會形成一層無色透明的氧化物薄膜，這層薄膜會產生干涉現象。

如圖1所示，一束光線入射到氧化膜表面，光束在氧化膜表面同時發生反射和折射。光線2在空氣-氧化膜表面折射進入氧化膜，在氧化膜-不銹鋼表面發生反射，最終出射光線2’，光線1的反射光線1’與光線2’重合，形成干涉光束。當1’與2’為波峰與波峰重疊或者波谷與波谷重疊時，光振動加強；若波峰與波谷重疊則光振動減弱。

光線1’與光線2’的光程差，可由式(1)表示。

式中，n1為空氣的折射率，n2為氧化膜的折射率，i為光的入射角，h為氧化膜的厚度。

設光的波長為λ，當光程差δ=kλ(k=1,2,3,…)時，光振動加強，而光程差為δ=kλ+λ/2(k=0,1,2,3,…)時，光振動減弱。白光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩色組成的復合光。由方程式(1)可知，發生干涉后具體哪種顏色的光被加強，主要取決于氧化膜的厚度。式(1)還告訴我們，當人眼的觀察角度不一樣時，氧化膜呈現的顏色也會變化。這便是氧化薄膜干涉顯色的原理。

由式(1)可知，當光振動加強時，光程差δ=kλ(k=1,2,3,…)。由此可推出式(2):

 
光由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫遞變時，波長逐漸變短。由式(2)可知，理論上來說，在合適的角度下，隨著氧化物薄膜厚度的增加，激光打標呈現的顏色會按紫→藍→青→綠→黃→橙→紅的順序變化。

激光彩色打標實驗

我們已經知道，在一定的觀察角度下，氧化膜的厚度決定了我們所看到的顏色。而氧化膜的厚度由入射激光能量直接決定。這里采用深圳創鑫激光公司的產品智能激光器進行不銹鋼激光彩色打標實驗。產品如圖2所示。

智能激光器是創鑫激光推出的尖端產品之一，具有體積小、重量輕、高度集成、節能環保等諸多優勢。其結構小巧緊湊，內部集成有計算機系統、激光控制系統、運動控制系統等，是激光打標的利器。其主要性能參數如表2所示。

實驗中，采用SUS304不銹鋼，激光打標前用工業酒精將其擦拭干凈。在不同的離焦量下，分別改變激光功率、激光頻率來改變作用于不銹鋼表面的功率密度。這里打標速度為100mm/s，填充間隔為0.03mm，打標1次。打標效果如圖3所示。

圖3中，離焦量分別取+4mm、+3mm、+2mm、+5mm。打標色盤中，橫坐標為激光功率，由35%至75%等間隔遞增，縱坐標為激光頻率，由20kHz至35kHz等間隔遞增。觀察角度為60°(與工件表面呈60°觀察)。圖3(c)中，離焦量為+2mm時，可見大部分的打標方塊內的不銹鋼表面被灼燒至焦黃偏黑，此時材質表面離焦點較近，激光能量密度偏大，打標色盤中的顏色不夠豐富。由(a)、(b)、(d)可以看出，在20~35kHz的頻率范圍內，當激光功率不變時，隨激光頻率變化，打標顏色幾乎不變。打標顏色主要隨激光功率的變化而改變。當離焦量為+3mm時，在某一頻率下，隨激光功率增大，打標顏色變化規律為：淡黃→藍色→淡綠→粉紅→紫紅→深紫→黃黑；當離焦量為+4mm時，隨激光功率增大，打標顏色變化規律為：淡黃→金黃→深藍→黃綠→紫紅→墨綠；當離焦量為+5mm時，隨激光功率增大，打標顏色變化規律為：淡黃→金黃→淡藍→黃綠→紫紅→墨綠。這些規律與前述理論推導的規律大體相符。

光纖激光器由于其優良的光束質量，能實現精細的激光彩色打標。按照實驗中得到的彩色打標工藝參數，可進行彩色打標。圖4為采用創鑫激光公司出品的智能激光器進行不銹鋼彩色打標的例子。

當然，不銹鋼激光彩色打標技術目前仍有待完善。比如，打標色彩還不是很豐富，彩色打標效果調試較為困難，等等。然而，激光技術從誕生到今天日益廣泛的應用，也不過半個世紀的時間。正如激光技術快速發展帶給世界的驚喜和便利一樣，激光彩色打標技術也必定會不斷向前，以科技的力量讓產業和生活更加美好。