Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета), страница 6

При поворотах молекулярные колебания заставляютатомы тереться друг о друга, что приводит к увеличению температуры и передачеколебаний к смежным атомам.Если падающий фотон имеет достаточно высокую энергию, он можетвызвать электронное возбуждение. После поглощения возбужденный электронможет потратить полученную энергию различными способами — на эмиссиюфотона или на вибрационное возбуждение.

Эмиссия фотона не будет изменятьматериал или его свойства, но вибрационное возбуждение, вследствие выделениятепла, может изменить материал [42, 45].Фотохимическая реакция происходит, если поглощенная энергия фотонавызывает химическую реакцию. Примером фотохимического поглощенияявляется восстановление диоксида титана TiO2. Диоксид титана, цвет которогобелый, обычно добавляется к пластмассам как пигмент. UV фотон можетразрушить химические связи и удалить часть кислорода за счет реакциивосстановления.

Маркированная область пластмассы становится черной —образуется четко различимый контраст. Из всех процессов для фотохимическихреакций требуется самое большое количество энергии фотона [6].1.2.2 Процессы на поверхности материалов при воздействии лазерногоизлучения в процесс нанесения маркировкиВоздействие от лазерного излучения на поверхность обрабатываемогоматериала в процессе маркировки можно условно разделить на несколько типов,характерные схемы которых представлены на рисунке 1.7.Для создания поверхностного контраста используются высокие скоростисканирования луча по поверхности и/или короткая продолжительность пульсов.Изменение цвета происходит непосредственно на поверхности материала,поглощающей свет.

В результате создается видимый контраст с необработанной33поверхностью материала. Этот контраст называют фотохимическим эффектом.Зачастую этим способом маркируются этикетки товаров. Для этого применяетсятермобумага, которая изменяет цвет под действием луча. Аналогичным образомработают некоторые факсимильные аппараты [34].Рисунок 1.7 – Типы модифицирования материалапри обработке поверхности лазером [6]Преимущества этого типа бумажной маркировки:– необходима низкая мощность для получения рисунка;– оборудование, работающее по этой технологии, компактно;– производительность метода очень высока (скорость сканирования лучадостигает 1500 мм/сек);– возможно получать высокую разрешающую способность;–обработки производится бесконтактно.Основные недостатки такого типа маркировки можно отметить следующие:– необходимо применять специальные материалы;– потеря качества изображения вследствие воздействия солнечного света итемператур.Оплавлениеповерхностиявляетсяболеемедленнымпроцессом,врезультате которого материал нагревается до температуры плавления.

Затемвидимая маркировка обеспечивается за счет химического распада, эффектовокисления поверхности или изменения в ее морфологии. Оплавление поверхностипрактически не используется для маркировки металлических изделий из-за34низкого контраста. Зато для получения белой маркировки на темныхпластмассовых поверхностях используют вспенивание пластмассы, обработаннойлазерным лучом. При оплавлении пластмассы от воздействия лазерного лучаобразуются газовые пузырьки по причине сгорания углерода и выделением CO2 впроцессе обработки, или же от воздействия высоких температур возможнотепловоеразложениепластмассы.Образовавшиесягазовыепузырькиустремляются на поверхность, в результате чего образуется вспененный слой,который затем остается в затвердевшем после расплавления пластике.

Кобразованию такой пены имеют склонность такие полимеры, как полиолефины иполиэтилены высокой плотности. Основным недостатком такой маркировкиявляется ее низкая износостойкость.Гравировкаповерхностиявляетсясамыммедленнымпроцессоммаркировки, так как материал при этом выпаривается. Маркировочные символыстановятся хорошо видимыми, поскольку в этом случае падающему световомулучу противопоставляется значительная глубина выгравированной канавки посравнению с немаркированным материалом. Такая технология маркировкиполучила широкое применение во всех областях производства. Например, вмикроэлектронике для производства кремниевых пластин она применяется длянанесения меток на заготовки, изделия и оснастку на всех стадиях разработки ипроизводства.Наиболее существенными для данного типа маркировки являются такиепараметры материала, как теплопроводность, скрытая теплота испарения икоэффициент отражения лазерного излучения [34].

Если считать, что весьудаляемый материал испаряется, то его количество, удаляемое при лазерномвоздействии, определяется величиной скрытой теплоты испарения.Значительное влияние на процесс маркировки также оказывает мощностьизлучения [34]. При медленном нагреве непрерывным лазером наиболее важенотвод тепла вглубь материала. Если образец обладает плоской формой, тонемаловажную роль в получении изображения играет его толщина. Превышениеобъемом подводимой энергии объема энергии, отводимой теплопередачей,35вызывает плавление материала.

Этапы взаимодействия лазерного излучения свеществом по мере увеличения удельной энергии излучения показаны нарисунке 1.8.Рисунок 1.8 – Этапы взаимодействия лазерного излучения с веществом [6]:1 – образец, 2 – лазерное излучение, 3 – зона активного теплоотвода внутриматериала, 4 – зона отвода энергии во внешнюю среду, 5 – зона локальногорасплавления материала, 6 – облако плазмы, 7 – брызги расплавленногоматериала образца, 8 – зона локально испаренного металла, 9 – трещины,полученные в результате локальных микровзрывов.Резкий нагрев также вызывает протекание различных химических реакций взоне лазерного воздействия.

При работе без создания защитной средыпреобладают процессы окисления. Эти процессы широко используются вмаркировке изделий из металлов и пластмасс, при лазерной маркировкеобразуютсяновыехимическиесоединения,обладающиецветовымихарактеристиками, отличными от цветовых характеристик обрабатываемогоматериала. Модифицированный слой прочно сцеплен с поверхностью и позволяет36получать качественное изображение.

Простым удалением материала неглубокойгравировкой не удается добиться нанесения хорошо различимых символов.Гравировкаповерхностисоплавлением представляетсобойкомбинированный процесс удаления материала поверхности с оплавлением,которое осуществляется в основе гравированной канавки.1.2.3 Нанесение маркировки на металлические материалы лазеромПри нанесении маркировочных символов на поверхности металлическихматериалов посредством обработки лазером можно выделить три основныхпроцесса, характеризующие взаимодействие лазерного луча и обрабатываемоговещества: плавление, интенсивное испарение и образование плазмы, всоответствии с рисунком 1.9.Рисунок 1.9 – Процессы, происходящие привзаимодействии лазерного излучения с веществомОплавление металлической поверхности начинается в момент, когдамощность лазерного луча достигает значений порядка 105 Вт/см2 [6, 36, 37, 44].Граница поверхности расплава, которая разделяет жидкую и твердую фазы,постепенно углубляется в материал с нарастанием энергии светового потока.

Помере роста площади поверхности, занимаемой расплавом, начинается более37интенсивный отвод теплоты в более глубокие слои материала вследствиетеплообменныхпроцессов(теплопроводности).Результатомпротекающихпроцессов устанавливается стационарная поверхность расплава. Например, намеханически обработанных поверхностях такая маркировка обычно выглядит какзона с другой, более гладкой шероховатостью поверхности, образовавшейся врезультате перекристаллизации.Интенсивное испарение (кипение) материала будет происходить наряду сплавлением.

Процесс сопровождается повышением мощности светового потокадо 106-107 Вт/см2 [36, 37, 44]. Часть вещества при этом переходит в парообразноесостояние, на выпарившемся участке поверхности образуется так называемаягравировальная канавка. Если в составе обрабатываемого металлического сплавасодержитсяопределенноедополнительноколичествосопровождаетсяуглерода,карбонизацией,топроцессповышенныегравировкитемпературыпроцесса способствуют образованию оксидов, которые также могут влиять нацвет маркировки [7, 8].Когда мощность светового потока достигает значений около 109 Вт/см2,происходит образование высокотемпературной плазмы [36, 37, 44].

При такихмощностях лазерного излучения создаваемые температуры приводят к ионизациипаров обрабатываемого вещества. Возникшая в процессе обработки плазмапреграждает доступ световому излучению к поверхности материала, так как этоизлучение интенсивно поглощается образовавшейся плазмой. Поэтому важно приподборе режимов маркировки учитывать мощности излучения и подбирать ихтаковыми, чтобы плазма не возникала.При маркировке других материалов (стекло, керамика, неметаллы, твердыесплавы и др.) используются в основном те же типы взаимодействия, причем дляпрозрачных материалов они дополняются эффектом изменения оптическихсвойств.381.2.4 Лазерная маркировка пластмассПрилазерноймаркировкеполимерныхматериаловизображениеформируется благодаря изменениям цвета и/или структуры поверхности.

Здесьвыделяют четыре основных типа взаимодействия лазерного излучения свеществом в соответствии с рисунком 1.10 [46]: вспенивание, гравировку,гравировку с изменением цвета поверхности, изменение цвета поверхности.Вспенивание. При низкой интенсивности лазерного излучения изменениецвета и фактуры поверхности вызвано изменением структуры материала за счетнагрева и образования в материале застывающих пузырьков газа. Этот эффектподобен случаю, когда согнутый много раз гибкий пластик в местах перегибастановится светлее.Рисунок 1.10 – Основные типы взаимодействиялазерного излучения с пластмассамиПовышение интенсивности излучения в процессе гравировки увеличиваеттемпературу пластика выше точки плавления, в результате чего материалначинает плавиться и испаряться, а структура поверхности приобретает вид такгравировальной канавки [3].При высокой интенсивности лазера локальное испарение материаладополняется обугливанием (карбонизацией) обрабатываемой поверхности.

Цветмаркировкиприэтомстановитсячерным(темным),такаядополнительно сопровождается изменением цвета поверхности [3].гравировки39При определенных параметрах излучения лазера происходит диссоциация(распад) молекул веществ, входящих в состав пластика, которая приводит кцветовым изменениям. Это позволяет практически избежать нагрева и получитьгладкую поверхность маркировки, но требует соответствующего составапластика, предусматривающего возможность изменения его цвета при нагревелазером [3]. При таком типе маркировки происходит изменение цветаповерхности (обесцвечивание).Для изменения цвета пластиков используют специализированные добавки икрасители [46]. Которыми могут являться пигменты и красящие вещества. Такиедобавки увеличивают поглощение энергии лазера, что позволяет получать болееконтрастные изменения цвета. Энергия лазера при этом используется для нагреваодного из красителей в окрашивающей смеси для того, чтобы вызвать изменениецвета маркируемой поверхности.