Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета), страница 19

Также на рентгенограмме присутствуетполный дифракционный спектр α-титана как основного материала подложки.Результаты проведенных автором исследований опубликованы в научныхизданиях [97-100].128Рисунок 4.4 – Дифрактограмма фазового анализа метки синего цвета на ВТ1-04.2 Исследование толщины нанесенных цветных оксидных пленок и ихмеханических свойствМикроскопические исследования нанесенных маркировочных меток наметаллические поверхности проводились с целью определения толщинысформированных лазерным излучением оксидных пленок.

Предварительнотолщина пленки темно-серого (почти черного) цвета была определена на образцестали 08Х18Н10Т на световом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer A1.Фотография микроструктурного анализа поперечного среза замаркированногообразца из листовой стали толщиной 1,5 мм представлена на рисунке 4.5. Примаксимальном увеличении (х1000) данного микроскопа удалось определить, чтотолщина оксидного покрытия вследствие импульсного воздействия лазерноголуча получается неравномерной и составляет приблизительно 1 – 1,7 мкм.

Как129видно из рисунка 4.5, при таких малых величинах толщины оксидного слояпленки, разрешения обычного светового микроскопа недостаточно, чтобы сопределенной долей вероятности толщину покрытия и подробно изучитьморфологию его слоев. Поэтому возникла необходимость в исследованиигеометрическихпараметровоксидныхпленоксовременнымиметодамиэлектронной микроскопии.Рисунок 4.5 – Фотография поперечного среза замаркированного образца излистовой стали 08Х18Н10Т толщиной 1,5 мм, х1000.Для получения более подробного анализа толщины оксидной пленки иморфологии отдельных слоев покрытия были проведены послойные исследованияучастка образца с маркировочной меткой фиолетового цвета на ВТ1-0. Для этихцелей было применено ионное травление. Предварительно производилосьнапыление платиновым слоем (1 мкм) для защиты пленки от эрозии при ионномтравлении, затем на следующем этапе подготовительных работ была выполненакросс-секция (рисунок 4.6).130Рисунок 4.6 – Фотография пленки исследуемого образца ВТ1-0 фиолетовогоцвета: а) исходная поверхность перед приготовлением кросс-секции; б)напыленный платиновый слой для защиты пленки;в) вид подготовленной кросс-секцииПриисследованиинаблюдаетсяглубинапослойнойструктурыраспространениятрещинприповерхностноговоксиднойслояпленке,газонасыщенный слой под оксидной пленкой и зона рекристаллизованного титанапод поверхностью (рисунок 4.7).

Изображение в ионах галлия (рисунок 4.7, б)дает более выраженный ориентационный контраст, позволяющий наблюдатьмелкодисперсную (квазиаморфную) структуру оксидной пленки, характерную длябыстрого роста (под пленкой платины), мелкокристаллическую структуругазонасыщенногослоя,атакжекрупнокристаллическуюструктурурекристаллизованного титана под поверхностью. Измерение геометрическихпараметров многослойной оксидной структуры показывает, что оксидная пленка с131мелкодисперсной (квазиаморфной) структурой имеет толщину порядка 1,34 мкм,затем следует достаточно мелкая структура газонасыщенного (альфированного)слоя толщиной 4,01 мкм, а завершается зона, охваченная влиянием импульсноголазерного излучения, участком рекристализованного крупнокристаллическоготитана (рисунок 4.7, в).Рисунок 4.7 – Послойная структура приповерхностного слоя пленки ВТ1-0:а) 1 – платиновая защитная пленка, 2 – оксидная пленка; 3 – газонасыщенныйслой, 4 – рекристаллизованный металлб) изображение пленки в ионах галлияв) геометрические характеристики многослойной оксидной структурыВсоответствиипоследовательностьсполученнымиизменениярезультатами,структурыпообъемуможнопредставитьоксиднойпленки.132Поверхностный слой 2 находится в квазиаморфном состоянии.

Затем следуетпереходная область 3 с особой кластерной структурой. Далее идет область 4 скристаллической структурой, внутренняя область которой имеет стабильнуюкристаллическую решетку, присущую микро- и макрообъектам.Поверхностный слой относится к малоразмерным нанокластерам, свойствакоторых определяются в основном электронной структурой. Образование этихструктур зависит от состояния и соответственно воздействия внешней среды.Полученныерезультатыповерхностиметалловпозволяютимпульснымсделатьзаключение,лазернымизлучениемчтообработкавдиапазонеформирования цветных оксидных структур позволяет получить квазиаморфныйнаноструктурый слой. Наночастицы оксидов металлов квазиаморфного слоямогут проявлять уникальные свойства, не только оптические, но и защитные,благодаря своим малым размерам и высокой плотности поверхностных активныхцентров.

Получение наноразмерных частиц в приповерхностном слое металлов врезультате воздействия лазерного излучения было изучено авторами статей [101,111].Результаты по определению толщины оксидного покрытия достаточнохорошо согласуются с проведенными вычислениями, нанесенная фиолетоваяпленка имеет близкое к расчетным данным значение этого параметра.В таблице 4.1 представлены результаты определения микротвердостиповерхности металлической подложки и сформированной импульсным лазеромоксидной пленки.Таблица 4.1 – Результаты определения микротвердости металлическихобразцов до и после воздействия импульсным лазерным излучением. Проведясравнительный анализ полученных значений микротвердости поверхностиподложки и оксидной пленки можно сделать вывод о том, что сформированныепри лазерном излучении оксидные структуры повышают поверхностнуютвердость исследуемых металлических материалов.133МаркаМикротвердостьЦветовой оттенокМикротвердость оксиднойматериалаподложки, HVоксидной пленкипленки, HV08Х13260красный29712Х17288красный31412Х17288синий294ВТ1-0343синий611Данные по исследованию геометрических параметров имикротвердостинанесенныхцветныхмаркировочныхметок,величиныполученныеавтором, опубликованы в статьях [97-100].4.3 Исследование показателей качества нанесенных маркировочныхизображенийНадежность считывания любого штрих-кода должна обеспечиватьсякачеством нанесенного маркировочного символа.

В общем случае корректностьсчитывания закодированной информации зависит от нескольких критериев:геометрических размеров, цветового сочетания и контрастности штрихов ипробелов. Не менее важным показатель качества нанесенного изображенияявляется его устойчивость при транспортировке, эксплуатации и хранении. Вслучаях нанесения штрих-кода на поверхности материалов дополнительнымусловием успешного считывания является качество обработки поверхности(полированная, шлифованная и т.д.). Полированная поверхность, интенсивноотражая излучение светодиодов, некорректно засвечивает элементы ПЗС матрицысканера, и считывание закодированной информации с таких поверхностей будетзатруднено.Нанесенныенеметаллическихнаэкспериментальныематериаловштриховыеобразцыкодыизметаллическихпроходилипроверкуинакорректную считываемость и расшифровку закодированной информации.Критериемкачествананесенногоштрих-кодапринятосчитатьего134считывание сканером с первого раза.

Все изображения штрих-кодов, нанесенныена исследуемые материалы с предварительно рассчитанными контрастнымирежимам нанесения, удовлетворяли этому условию – считывание стандартнымсканером производилось с первого раза рисунок 4.8.Рисунок 4.8 – Сканирование изображения штрих-кода,нанесенного на поверхность образца из сплава АЛ2На рисунке 4.9 приведены примеры расшифровки закодированной спомощью двумерных (матричных) кодов типа QR-code (рисунок 4.9 а) и DataMatrix (рисунок 4.9 б) информации, нанесенной лазерным маркировочнымкомплексом на поверхность материала ВТ1-0.

Расшифровка информациипроизводиласьпосредствомдоступнойвинтернет-ресурсахпрограммы,установленной на мобильный телефон (смартфон), обладающий фотокамерой.Занесеннаявзакодированныемаркировочныесимволыинформациярасшифровывалась корректно.Для проверки надежности нанесенных маркировочных символов былипроведены исследования по устойчивости оксидных пленок, сформированных наметаллическихобразцахприобработкеимпульснымлазером.Экспериментальные испытания проводились при повышенных температурах и вагрессивных средах.

Исследования по химической устойчивости оксидных пленок135заключались в помещении опытных образцов в агрессивные среды и выдержки ихв течение длительного времени.абРисунок 4.9 – Примеры расшифровки матричных кодов(а – QR-code, б – Data-Matrix) стандартными сканерамиДля определения химической стойкости оксидного слоя, сформированногоприобработкелазерныммаркировочнымкомплексом,исследуемыеметаллические образцы из коррозионностойких сталей, титанового, медного иалюминиевого сплавов с нанесенными маркировочными символами помещалисьв насыщенный раствор NaCl (рисунок 4.10) при комнатной температуре.Рисунок 4.10 – Образец со штрих-кодом в ванне с раствором NaClЧерез несколько часов образцы был извлечены из раствора.

Был проведенвизуальный контроль и микроскопический анализ. Результаты этого исследованияпоказали отсутствие каких-либо видимых следов коррозии на замаркированных136участках, сохранились цветовые характеристики нанесенных символов. Нарисунке 4.11 приведены результаты микроскопического анализа и визуальногоконтроля для сплава АЛ2. Помимо соляного раствора, экспериментальные образцыбыли подвержены воздействию средства "ФЛЮР", которое содержит в своемсоставе неиногенные ПАВ, спирт, различные органические кислоты не более 5 %,тиосоединение и ингибитор коррозии.

После проведенных исследований непроявили цветовые изменения маркировочные метки, нанесенные на образцы изкоррозионностойких сталей и титанового сплава. Стоит отменить, что винструкции по применению указанного средства не рекомендовано обрабатыватьим поверхности, на которые искусственными методами были нанесены оксидныесоединения. Закодированные метки из титанового сплава ВТ1-0 также былиподвержены воздействию 20% водного раствора щелочи, и после выдержки втечение24часовнепроявилипризнакикоррозии.Расшифровкаприсчитываемости обработанного кода произошла корректно.1100200400800Рисунок 4.11 – Образец АЛ2 со штрих-кодомпосле выдержки в соляном раствореИсследованию влиянию воздействия высоких температур были подверженымаркировочные метки, нанесенные на образцы из сталей 08Х18Н10Т, 12Х17 исплавов ВТ1-0 и Л63.

Для проведения эксперимента образцы были помещены впечь для термообработки при температуре 500°С и были выдержаны в течение 4137часов. Выбор данной температуры основывался на том факте, она находится винтервале температур, при которых происходит активное окисление исследуемыхметаллических материалы.Визуальныйконтрольмаркировочныхсимволовпослепроведениятермической обработки показал, что цветовые характеристики замаркированнойповерхности материалов из коррозионностойких сталей 08Х18Н10Т и 12Х17 ититанового сплава ВТ1-0 не имеют видимых изменений.

Также стоит отметитьнекоторую «защитную» функцию нанесенных оксидных пленок по отношению кматериалу образца, который в процессе проведения эксперимента окислился,изменив свой цвет (рисунок 4.12 б). По результатам проведенных исследованийможно сделать вывод, что, изменение толщины оксидной пленки, которая былаполучена при обработке поверхности образца лазерным излучением, придальнейшей термической обработке не наблюдается.а)б)Рисунок 4.12 – Участок цветной метки на поверхности образца из стали 12Х17а) до помещения в печь, б) после термической обработкиФакт сохранения при высокотемпературной выдержки полученных цветовыххарактеристикмаркировочныхизображенийможнообъяснитьтем,чтообразование оксидных пленок, инициированное лазерным облучением, происходитпри гораздо более высоких температурах, чем это протекает в случаетрадиционных способах окисления.