Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета), страница 13

При перемещении от отрезкак отрезку лазер находится в выключенном состоянии. Перед включениемизлученияпроисходитпозиционированиелазерноголучавначальныекоординаты формируемого отрезка. Затем производится непрерывное воздействиеимпульсами с заданной частотой и одновременным перемещением луча доокончания отрезка. Перед сменой позиционирования в начало следующегоотрезка,лазерноепостепенноеизлучениезаполнениеотключается.обрабатываемойТакимплощади.образом,происходитПримерынанесениямаркировочных символов на поверхности различных материалов представлены нарисунке 2.28 [3-5, 91].абвгРисунок 2.28 – Примеры нанесения маркировочных символовна металлические (а, в, г) и полимерные поверхности (б):логотипа предприятия (а, б), линейного (в) и двумерного (г) штрих-кодаТаким образом, при определенной комбинации таких варьируемыхпараметров лазерного комплекса, как средняя мощность импульса, частотаследования импульсов и скорость перемещения лазерного луча, на металлическихматериалах производится формирование оксидных пленок путем воздействиялазерного излучения на поверхность образца.

При лазерной маркировкепластмасс получаемое изображение формируется вследствие изменений цветаповерхности и/или изменений структурысамого материала. Повышениеинтенсивности излучения за счет варьирования основных технологических84параметров увеличивает температуру полимерного (кристаллического) материалавыше точки плавления. Результатом действия таких высоких температур будетплавление и испарение с поверхности, после чего структура поверхностиприобретает вид гравировочной канавки. Эта температура может быть различнойв зависимости от полимера, даже внутри одного семейства полимеров. Приотносительно высокой интенсивности лазерного излучения может иметь местолокальноеиспарениематериала,котороедополняетсяобугливанием(карбонизацией) обрабатываемой поверхности, при этом цвет маркировочныхизображений становится черным (темным).

Задавая определенные параметрылазерного излучения возможно инициировать диссоциацию (распад) молекулвещества, входящих в состав пластмассы, что в результате может привести кцветовым изменениям. Это позволяет практически избежать нагрева и получитьотносительно гладкую поверхность маркировки, но требует соответствующегосостава пластика, поскольку не все полимеры поддаются лазерной гравировке имаркировке [48].2.5 Методика нанесения штрих-кодов на поверхность металлов иполимеровЛазерные комплексы для нанесения на поверхность деталей маркировочныхсимволов в виде стандартных штрих-кодов так же, как и при формированииизображений в формате рисунков, логотипов, надписей, реализуют (контурный) ирастровый способы обработки для формирования указанных зашифрованныхсимволов.

Тем не менее, оператору требуется самостоятельно подобратьоптимальный режим нанесения идентификационного кода с учетом параметровлазерного комплекса и теплофизических свойств обрабатываемого материаласамостоятельно.Этотребуетвысокойквалификацииперсоналаилииспользования обширной базы данных режимов маркировки для различныхматериалов. При наличии разработанных режимов технологического процесса и85предложенной методики их расчета для ряда материалов маркировка серийныхизделий может быть существенно облегчена.С целью нанесения маркировочных символов в виде битовых черно-белых ицветных изображений штрих-кода для обработки металлической поверхностиприменяется вышеуказанный программный продукт LTCEdit. В состав лазерногомаркировочного комплекса также входит программный продукт, которыйобладает функцией создания изображения штрихового или двумерного кода вспециализированном формате, например, в формате ITF.Выбирая диаметр отпечатка, который зависит от параметра лазернойустановки (ток накачки диодной линейки), используя данные, представленные в[68] возможно рассчитать необходимое количество линий для формирования наметаллической поверхности линии, которая будет соответствовать ширине одногомодуля (0,33 мм) [3-5].

В штрих с шириной 1 мм будет входить три таких модуля.Общее количество линий, содержащихся в 1 мм пикселя маркируемого штрихкода, составит NL, оно равно произведению количества модулей на количестволиний в одном модуле.Чтобы обеспечить уверенное считывание маркируемого закодированногосимвола, необходимо создавать такие штрихи (информационные поля), цветовыехарактеристики которых будут контрастны по цвету с поверхностью маркируемогоматериала. Если нет возможности подобрать такие цвета при варьируемыхрежимах обработки, то в этом случае следует поле так называемой «подложки»штрих-кода обработать предварительно режимом, который сможет обеспечитьконтрастный цвет по отношению к цвету самого закодированного символа.Цветовые сочетания штрих-кодов, считываемые и не считываемые сканером,приведены в таблице 2.11.

Получаемые в процессе маркировки цветовые оттенкиштрихов закодированных символик, нанесенные на металлические поверхности,определяются свойствами оксидов [92], создаваемых лазерным излучением наповерхности обрабатываемых материалов. В литературе имеется много данных оцветовых характеристиках оксидов определенного химического состава [61, 87,88, 90, 93].

Цвет будет также зависеть и от толщины пленки, и в случае, если86толщина пленок составляет меньше определенной толщины (например, 40 нм вслучае оксидных пленок, полученных на железе), пленка не будет давать видимыхизменений на поверхности металла. Последовательность цветов, вызваннаяутолщением пленки, представлена в таблице 2.12 [42, 61, 92].Таблица 2.11 – Цветовые сочетания штриховых кодов [3, 5, 94]а)синийкоричневыйчерныйна беломна беломна беломсинийкоричневыйчерныйна желтомна желтомна желтомсинийкоричневыйчерныйна оранжевомна оранжевомна оранжевомб)синийкоричневыйчерныйна красномна красномна красномв)черныйчерныйчерныйна зеленомна зеленомна синемг)красныйкрасныйчерныйна зеленомна синемназ олотомкрасныйкрасный насинийназолотомсветлокоричневомназеленомкрасныйСветлокорич-невыйзолотойнабеломна беломнабелома) Цветовые сочетания, считываемые сканером.б) Считываются при определенных условиях.в) Не считываются при определенных условиях.г) Цветовые сочетания, не считываемые сканером.зеленыйна беломзеленыйна желтомзеленыйна оранжевомзеленыйна красномчерныйн акоричневоморанжевыйна золотомжелтыйнабеломоранжевыйнабеломТаблица 2.12 – Толщина (h) окисных пленок для некоторых материалов [42, 89]Оксидные пленки на медиЦветh, нмТемно–коричневый38Красно–коричневый42Темнопурпурный45Темно–фиолетовый48Темно–синий50Бледно сине–зеленый83Бледно серебристо–зеленый88Желтовато–зеленый97Ярко–желтый98Старое золото110Оранжевый120Красный126Оксидные пленки на никелеЦветh, нмБледно коричневый49Темно–коричневый54Пурпурный57Темно–фиолетовый60Темно–синий76Серебристо–зеленый112Желтовато–зеленый120Желтый126Соломенный135Желто–коричневый162Темно–коричневый172Окисные пленки железа на сталиЦветh, нмСоломенный46Красновато–желтый52Красно–коричневый58Пурпурный63Фиолетовый68Синий72Для определения вероятности считывания штрих-кода с поверхностиизделия необходимо рассчитывать толщину оксидного слоя выбранного цвета,87полагая, что она будет равна глубине проникновения ионов кислорода в металл завремя взаимодействия лазерного излучения с его поверхностью.

При лазерномнагреве, из-за малой продолжительности воздействия, диффузией ионовкислорода через окисный слой можно пренебречь и принять процесс окисления всоответствии с параболическим законом, взяв в расчет только глубинупроникновения ионов кислорода в структуру металла.Как упоминалось выше, окисление металла в общем случае процессмногостадийный, для упрощения вычислений было принято, что при нанесенииштрих-кода одного цвета образуется оксид только одного стехиометрическогосостава, так что его свойства оказываются одинаковыми по всей толщине слоя.Будем также предполагать, что образующийся оксид является компактным.Учитывая сделанные допущения, толщину окисного слоя (h) можнорассчитать следующим образом:h  D0 ВЗ ,(2.5)где D0– коэффициент диффузии ионов кислорода в структуру металла; τвз= N–время взаимодействия лазерного излучения с материалом, с;  – длительностьимпульса лазерной установки, c; N – количество импульсов; N b, b – ширинаdxштриха, мм; dx – смещение следующего импульса, мм.

Значения D0 определяютсяпо данным [83, 84].Основные особенности химической реакции, активируемой поверхностнымтепловым действием лазерного излучения, будут связаны с тем, что она протекаетв условиях термоциклирования при ограниченной общей продолжительностипроцесса. Как известно, температурные напряжения являются неизбежнымследствием лазерного нагрева: высокие градиенты температур и высокиескорости нагрева и охлаждения материала при импульсной лазерной обработкеспособны вызвать разрушения в формирующейся структуре пленка – подложка.При этом они могут достигать разрушающих значений при воздействии короткихимпульсов излучения лазеров.88При соотношении коэффициентов линейного расширения оксидного слоя α1и подложкиα2 (α1<α2) критическую (максимально допустимую) толщину оксидногослоя, превышение которой повлечет его растрескивание, можно рассчитать поформуле [60]:h1  A2 ВЗ B2 1E1  T   B 2E2,(2.6)где A2 – температуропроводность материала подложки, м2/с; τВЗ– времявзаимодействия лазерного излучения с материалом, с; ΔТ – изменениетемпературы зоны обработки в ходе маркировки, ºС; Δα =α2 – α1– разницакоэффициентов линейного расширения оксидного слоя и подложки, град -1; Е1и Е2– модули Юнга слоя и подложки соответственно, МПа.