Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета), страница 12

Нарисунке 2.19 представлено изображение пространственного распределенияэнергии излучения твердотельного Nd:YAG лазера с диодной накачкой [39, 43].Представленное распределения объясняет тот факт, что классическиесистемы на базе твердотельного лазера имеют распределение энергии по площадипятна с явным пиком в его центре (гауссово распределение) и ярко выраженноймногомодовостью лазерного излучения. То есть, площадь пятна такого лазераоблучается неравномерно, вызывая протекание тех или иных реакций только взоне поглотившей достаточную для их протекания плотность светового потока.75а)б)Рисунок 2.19 – Пространственное распределение энергии в лазерном пучкеNd:YAGлазера с диодной накачкой [72]:а) частота следования импульсов - 5 кГц, ток накачки - 20А;б) частота следования импульсов - 3 кГц, ток накачки - 36 АМеталлы, как известно, имеют высокий коэффициент отражения, этоотносится и к лазерному излучению в частности.

Следовательно, для воздействияна них необходимо направлять более высокие плотности потока лазерного луча,что вполне может быть обеспечено импульсным излучением лазером данноготипа. Для маркировки пластмасс наилучшим образом также подходят системы набазе твердотельного Nd:YAG лазера.2.4 Методика получения изображений на металлических и полимерныхматериалахЛазерный маркирующий комплекс, используемый в эксперименте, оснащентакой системой развертки луча, которая позволяет достаточно гибко настраиватьвид выводимого изображения. С помощью лазерной установки, управляемой ПК,возможно реализовать векторный (контурный) и растровый способы маркировки.На рисунке 2.20 приведены примеры таких способов [67].76а)б)Рисунок 2.20 – Формирование вертикального штриха с использованиемлазерного комплекса: а) – растровый, б) - векторныйПривыводеизображениялазернымкомплексомимеютсясвоиспецифические особенности, связанные как с конструктивными особенностямисамогооборудования, такисвозможностьюформированияцвета наметаллической поверхности.

При растровом режиме маркируемая областьзаполняется построчно. Плотность заполнения определяется количеством строк на 1мм. Векторный режим маркировки позволяет выводить контур маркируемой областинепрерывной последовательностью отпечатков. Таким образом, перемещая лучотносительно поверхности образца, можно получить на поверхности то или иноевидимое изображение в виде цифр, букв, знаков или рисунков.При воздействии лазерного луча на металлы и неметаллические материалы,как было подробно рассмотрено в главе 1, происходит нагрев с возможнымоплавлением и (или) частичным испарением поверхности материала. Это приводитк появлению следа (отпечатка) на участке воздействия лазерного луча.

В ходепроведения предварительных исследований было установлено, что отпечатоквоздействия луча лазера имеет вид, представленный на рисунке 2.21 [4, 39].Отпечаток лазерного импульса имеет округлую форму в виде оплавленногоучастка поверхности образца. Вокруг отпечатка виден некоторый ореол, которыйможет рассматриваться как зона термического влияния.77Рисунок 2.21 – Вид отпечатка лазерного импульса (сталь 08Х18Н10Т)В исследованиях [4, 86-88, 90] было экспериментально установлено, что дляполучения цвета, отличного от цвета металла и видимого глазом, минимальныйразмер строки должен составлять приблизительно два полных отпечатка лучалазера.

Таким образом, можно определить размеры одного пикселя по оси x,выяснено, что этот размер не должен быть менее 2D, где D – диаметр отпечаткалазерного луча. Также это соотношение связано с тем, что при формированииизображения при нанесении последующей строки рядом с предыдущей, котораядолжны обеспечить за счет наложения импульсов участок изображения другимцветом, нагрев от первоначального импульса может привести к искажению цветапоследнего импульса первой строки. На рисунке 2.22 представлены возможныеварианты взаимного расположения отпечатков, получаемых от воздействияимпульса лазерного луча, относительно друг друга.Необходимо рассмотреть вопрос о том, каким образом размер диаметраотпечатка и их взаимное расположение, будут изменяться в зависимости отвариации задаваемых параметров режима лазерной установки.На рисунке 2.23 представлены изображения, полученные при обработке наразличных рабочих режимах лазерного комплекса.

Варьируемым параметром вданном исследовании был ток накачки диодной линейки. Было выявлено, чтоизменение данного технологического параметра лазерной установки приводит кизменению геометрических параметров (формы и размеров) отпечатков наметаллической поверхности.78Рисунок 2.22 – Варианты взаимного расположения отпечатков лазерного лучаотносительно друг друга (увеличение х 10): а). Вид отпечатка лазерного импульсана поверхности металла, увеличение х 500; б). 100 мкм (увеличение х 10); в). 90мкм (увеличение х 10); г). 80 мкм, д). 70 мкм (увеличение х 10)Рисунок 2.23 – Форма и размеры отпечатков импульсов лазерного луча приразличных токах накачки (сталь 08Х18Н10Т) [39].Зависимость влияния размера и формы отпечатка, а также влияние на зонутермического влияния прошедшего импульса, от такого технологическогопараметра процесса, как средняя мощность импульса, которая в свою очередьконтролируется другим параметром лазерной установки – током накачки диоднойлинейки, была исследована, и были установлены особенности этой зависимости.Результаты определения влияния величины тока накачки диодной линейкилазера на средний размер диаметра отпечатка для различных металлическихматериаловимеютодинакововыраженныйхарактерэтойзависимости.79Полученныеэкспериментальныеданныемогутбытьаппроксимированылогарифмической зависимостью с некоторыми эмпирическими коэффициентами,зависящими от свойств обрабатываемого материала:D=a*ln(A-6)+b,(2.2)где a, b – эмпирические коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала.На рисунке 2.24 представлены расчетные и экспериментальные данные, полученныедля коррозионностойкой стали 08Х18Н10Т, где R2 – величина достоверностиаппроксимации.

Полная информация и зависимости для трех исследуемыхматериалов с таблицами экспериментальных данных представлены в Приложении 1.Рисунок 2.24 – Экспериментальные и расчетные значения зависимостисреднего диаметра от тока накачки диодной линейки для 08Х18Н10ТСтатистическая обработка числовых значений средней мощности излученияв зависимости от тока накачки диодной линейки, представленных в техническихданных лазерного маркировочного комплекса Д'Марк-06 позволила получитьаналитическую зависимость в виде:Qср =0,4348+1,0474∙(A-7),(2.3)где Qcp – мощность излучения (Вт), А – ток накачки (А) при R2 = 0,999.На рисунке 2.25 представлены числовые значения средней мощностилазерного комплекса и значения, рассчитанные по формуле (2.1.1).

Из графикавидно, что эта зависимость имеет линейный характер.80Рисунок 2.25 – Изменение средней мощности излучения взависимости от тока накачки диодной линейки лазераКак было отмечено ранее, энергия, подводимая к поверхности образца,распределяется неравномерно по сечению пучка лазерного излучения, что в своюочередьможетпривестикнеравномерномунагреву,а,следовательно,неравномерной толщине образующейся оксидной пленки и как следствие – кнеоднородности цвета.Формированиецветаприобработкеповерхностилазернымлучомпроисходит не с самого первого импульса, а на некотором расстоянии от началастрочки, что можно увидеть на рисунке 2.26 [4, 68, 86].

Такое явление будетхарактерным не только для лазеров с наличием эффекта первого импульса, но также и для лазеров, которые снащены системой подавления первого импульса. Кформированию цвета приводить будет приводить последующее наложениеимпульсов с некоторым шагом dx и продолжаться формироваться до последнегоимпульса строки изображения.81Рисунок 2.26 – Формирование изображения в начале отрезка(1 – отпечаток первого импульса).Температурно-временной режим образования оксидных структур, дающихте или иные цветовые оттенки, зависит от взаимного расположения рядомстоящих импульсов:dx V,F(2.4)где dx – расстояние между центрами отдельно сформированных импульсов, м; Vскорость перемещения луча лазера, м/с; F – частота следования импульсов, Гц.Возвращаясь к разрешению лазерного комплекса, будем говорить околичестве линий по вертикали, то есть линиатуре (величина lpi).

Дляопределения линиатуры необходимо вычислить количество строк, находящихся в1 мм изображения, располагающихся вдоль оси y. Вычислить это можно,воспользовавшись соотношением lpi = R/25,4, где за R принимается разрешениеизображения, принятого в компьютерной графике. Например, для R=508 lpi=20информирует о том, что для получения одного миллиметра изображения повертикали будет сформировано 20 строк.

Правильно выбранная линиатура влияеткак на качество изображения, так и на восприятие цвета в целом. Очевидно, чтолиниатура лазерного комплекса зависит от среднего диаметра отпечатка. Рисунок2.27 демонстрирует принцип использования линиатуры для различных значений82разрешения лазерного маркировочного комплекса. При выводе маркировочногоизображения на металлическую поверхность в лазерном комплексе один пиксельизображения должен соответствовать по обеим осям x и y значению двух среднихдиаметрам отпечатка, т. е. dpi=25,4/2D, lpi=1/2D [2, 3, 86].Рисунок 2.27 – Линиатура при различных значениях разрешения [3].Какбылорассмотреновыше,диаметротпечатказависитоттехнологического параметра лазерного комплекса (средняя мощность импульса) иот технических характеристик лазерной установки (диаметра луча лазера).Очевидно, что меньший диаметр луча лазера оставит после себя на поверхностиматериала отпечаток меньшего размера.

С уменьшением среднего отпечаткалазерноголучакачествоформируемогоизображениянамаркируемойповерхности повышается.С целью нанесения маркировочного изображения в виде логотипа илизакодированного символа на металлической и полимерной поверхности былаиспользована программа LTCEdit, которая управляет лазерным маркирующимкомплексом ДМарк-6. Данная программа разбивает маркируемое изображение напараллельныеотрезки.Каждаяизображенияможетсодержатьстрокапонесколькосвоимгабаритнымотрезков.Вразмерамрезультатепоследовательного перемещения лазерного луча вдоль запрограммированногоотрезканаповерхностиметалласформировываетсяоксиднаяпленка.83Специальный управляющий файл, расположенный в программе-редакторе,хранящей маркировочное изображение логотипа или штрих-кода, при помощипрограммы-исполнителя Marker по заданной программе формирует заданноеизображение на поверхности маркируемого изделия.