激光不鏽鋼打標
不鏽鋼的發明，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開展了合金鋼的研製工作，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鏽性能。時至今日，這種材料已經家喻戶曉，由於其出色的耐蝕、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，不鏽鋼製品經常被打上數字、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，已廣泛應用於不鏽鋼製品標識，打白、打黑則是常采用的標記方式。激光作用於不鏽鋼材質，還可以產生五彩斑斕的彩色，在彩色不鏽鋼層出不窮地應用於建築、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、電化學著色等傳統製備彩色不鏽鋼的方法能耗高、汙染大、難於實現精細著色，相比之下，不鏽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在铌碗上進行了激光彩色打標的初步嚐試，使金屬工藝品和珠寶的激光彩色打標變得切實可行。此後，激光彩色打標的應用範圍不斷擴大，也成為增加產品附加值的一種新型工藝手段。

不鏽鋼材質在激光熱源的作用下，表麵生成有色氧化物，或是生成一層無色透明的氧化膜，由於光的薄膜幹涉效應而呈現各種顏色，這是不鏽鋼彩色打標的基本原理。

不鏽鋼中的金屬元素氧化後的產物本身會呈現顏色。表1為不鏽鋼表層經激光作用氧化後幾種主要氧化物的顏色。

在合適的激光能量作用下，不鏽鋼表麵會形成一層無色透明的氧化物薄膜，這層薄膜會產生幹涉現象。

如圖1所示，一束光線入射到氧化膜表麵，光束在氧化膜表麵同時發生反射和折射。光線2在空氣-氧化膜表麵折射進入氧化膜，在氧化膜-不鏽鋼表麵發生反射，最終出射光線2’，光線1的反射光線1’與(yu) 光線2’重合，形成幹涉光束。當1’與(yu) 2’為(wei) 波峰與(yu) 波峰重疊或者波穀與(yu) 波穀重疊時，光振動加強；若波峰與(yu) 波穀重疊則光振動減弱。

光線1’與(yu) 光線2’的光程差，可由式(1)表示。

式中，n1為(wei) 空氣的折射率，n2為(wei) 氧化膜的折射率，i為(wei) 光的入射角，h為(wei) 氧化膜的厚度。

設光的波長為(wei) λ，當光程差δ=kλ(k=1,2,3,…)時，光振動加強，而光程差為(wei) 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、紫七彩色組成的複合光。由方程式(1)可知，發生幹涉後具體(ti) 哪種顏色的光被加強，主要取決(jue) 於(yu) 氧化膜的厚度。式(1)還告訴我們(men) ，當人眼的觀察角度不一樣時，氧化膜呈現的顏色也會(hui) 變化。這便是氧化薄膜幹涉顯色的原理。

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(hui) 按紫→藍→青→綠→黃→橙→紅的順序變化。

激光彩色打標實驗

我們(men) 已經知道，在一定的觀察角度下，氧化膜的厚度決(jue) 定了我們(men) 所看到的顏色。而氧化膜的厚度由入射激光能量直接決(jue) 定。這裏采用深圳創鑫激光公司的產(chan) 品智能激光器進行不鏽鋼激光彩色打標實驗。產(chan) 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，內部集成有計算機係統、激光控製係統、運動控製係統等，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不鏽鋼，激光打標前用工業酒精將其擦拭幹淨。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於不鏽鋼表麵的功率密度。這裏打標速度為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(wei) 激光功率，由35%至75%等間隔遞增，縱坐標為(wei) 激光頻率，由20kHz至35kHz等間隔遞增。觀察角度為(wei) 60°(與(yu) 工件表麵呈60°觀察)。圖3(c)中，離焦量為(wei) +2mm時，可見大部分的打標方塊內(nei) 的不鏽鋼表麵被灼燒至焦黃偏黑，此時材質表麵離焦點較近，激光能量密度偏大，打標色盤中的顏色不夠豐(feng) 富。由(a)、(b)、(d)可以看出，在20~35kHz的頻率範圍內(nei) ，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(wei) +3mm時，在某一頻率下，隨激光功率增大，打標顏色變化規律為(wei) ：淡黃→藍色→淡綠→粉紅→紫紅→深紫→黃黑；當離焦量為(wei) +4mm時，隨激光功率增大，打標顏色變化規律為(wei) ：淡黃→金黃→深藍→黃綠→紫紅→墨綠；當離焦量為(wei) +5mm時，隨激光功率增大，打標顏色變化規律為(wei) ：淡黃→金黃→淡藍→黃綠→紫紅→墨綠。這些規律與(yu) 前述理論推導的規律大體(ti) 相符。

光纖激光器由於(yu) 其優(you) 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(wei) 采用創鑫激光公司出品的智能激光器進行不鏽鋼彩色打標的例子。

當然，不鏽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。