丁帥帥，劉國東，黎相孟，馮琪淵，程浩田

(中北大學 先進制造技術(shù)山西省重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

金屬表面著色[1]是防止金屬腐蝕的有效方法，同時起到裝飾的作用，提高附加價值。傳統(tǒng)的著色處理工藝主要是化學氧化著色和電化學著色工藝，不可避免地產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水。工業(yè)廢水的排放對地下水以及土壤等環(huán)境造成了巨大的威脅。自激光技術(shù)[2]誕生以來，隨著技術(shù)的發(fā)展，納秒、皮秒、飛秒激光器的誕生，激光應用的領域越來越廣闊，其中包含激光著色[3]這一新領域。激光著色以其快速、無污染的特性正在逐步被應用于金屬著色。激光著色的理論主要有以下3種：一是激光誘導材料生成不同顏色氧化物，氧化物呈色即為著色結(jié)果的呈色理論；二是激光照射在金屬表面生成厚度不同的氧化物薄膜，光照射在基體、薄膜和空氣這一結(jié)構(gòu)上，發(fā)生薄膜干涉而呈色的理論；三是在金屬表面加工出周期性微納米結(jié)構(gòu)，光照射后發(fā)生衍射的復雜呈色理論。前兩者主要利用納秒激光的熱效應，改變材料表面成分或生成氧化物構(gòu)成一定結(jié)構(gòu)；后一種主要利用飛秒或皮秒激光器的“冷”加工效應[4]，直接改變結(jié)構(gòu)表面的微觀結(jié)構(gòu)。

激光著色技術(shù)現(xiàn)世以來，國內(nèi)外學者對其作了大量的研究。LI Z L等[5]采用紫外激光器對304不繡鋼氧化分析進行研究，研究發(fā)現(xiàn)顏色的呈現(xiàn)與材料表面的能量密度有著密切的聯(lián)系。AHSAN M S等[6]通過飛秒激光誘導的周期性微孔和樣品表面上的微/納米光柵證明了不銹鋼表面的著色。在不銹鋼表面上適當調(diào)整激光誘導特征可提供多種顏色，包括多色、金色和黑色。當多色金屬表面暴露于不同入射角和方位角的入射光時，它們呈現(xiàn)出不同的顏色。WROCLAS理工大學ARKADIUSZ A J[7-8]團隊基于高質(zhì)量激光束的光纖激光器，從不銹鋼基體溫度、激光功率、掃描速度等角度對激光彩色打標的顏色穩(wěn)定性進行探究。陶海巖[9]運用超短的飛秒激光在鋁合金表面上制備了多種不同的表面微結(jié)構(gòu)，獲得了白色、灰色、褐色、淺金色、黑色和深金色等色彩，并對表面著色機理進行了探討。姬興國[10]也采用超短的飛秒激光輻照鋁合金表面，誘導不同色彩的周期性表面結(jié)構(gòu)，并研究了脈沖能量、脈沖個數(shù)對鋁表面微觀結(jié)構(gòu)形成的影響。黃天琪等[11]利用Nd-YAG 納秒激光器在不銹鋼上進行了表面著色研究，通過試驗獲得了不同顏色所對應的最佳激光工藝參數(shù)。

超短脈沖飛秒激光能夠進行高精準、超高速、高質(zhì)量的加工，但其造價較為高昂，目前難以推廣。YAG系列短脈沖造價相對較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)激光著色。本文探究了有、無偏焦距對著色質(zhì)量的影響，從著色表面的微觀形貌以及顏色的鮮度[12]來分析著色的質(zhì)量，這對激光著色未來的運用有著極為深遠的意義。

1 實驗裝置及原理

1.1 樣件材料制備

實驗選用的是304不銹鋼材料，其尺寸為100 mm×100 mm×1 mm，材料成分如表1所示。實驗前用純度為99.7%的無水乙醇和丙酮混合進行超聲清洗，清除材料表面會影響著色效果的油污或其他附著物，保證等條件加工。

表1 304不銹鋼的質(zhì)量分數(shù) 單位：%

1.2 實驗設備及呈色原理

實驗所用激光著色設備如圖1(a)所示，該激光打標機加工尺寸范圍為15 mm×15 mm，加工功率范圍為0～20 W，加工頻率范圍為0～80 Hz，掃描速度范圍為0～800 mm/s，最小掃描間距為0.000 1 mm，聚焦光點的尺寸為0.01 mm，掃描路徑由軟件操控激光頭內(nèi)的2個偏整鏡片來實現(xiàn)，激光焦距固定不可調(diào)，可通過調(diào)節(jié)工作臺的高度來調(diào)節(jié)加工平面的偏焦量，如圖1(b)所示。著色的填充路徑采用“弓”字形，在同樣的填充間距條件下，光斑尺寸變化導致光斑重疊率不同，聚焦與偏焦加工路徑如圖2所示。

圖1 激光設備及偏焦原理

圖2 聚焦與偏焦掃描路徑的分布

1.3 著色原理

納秒激光著色機理之一是將產(chǎn)生多種顏色的氧化物(氧化物本身的顏色即為呈色)通過激光能量束匯集在金屬表面。在激光走線路徑上，激光與材料接觸，致使材料內(nèi)的鐵、鉻、鎳以及錳等成分與空氣接觸發(fā)生反應產(chǎn)生有色的碳化物和氧化物，而未接觸部分依然呈現(xiàn)不銹鋼原色；激光著色機理之二是激光誘導生成氧化物薄膜，使薄膜發(fā)生光的干涉現(xiàn)象[13]，如圖3所示，從而顯現(xiàn)出不同顏色。

圖3 薄膜干涉原理圖

在等厚薄膜干涉中，薄膜干涉中兩相干光的光程差公式為：

Δ=2ndcosβ±λ/2。

式中：n為薄膜的折射率；d為入射點的薄膜厚度；β為薄膜內(nèi)的折射角；±λ/2是由于兩束相干光在性質(zhì)不同的兩個界面(一個是光疏-光密界面，另一個是光密-光疏界面)上反射而引起的附加光程差。

由Δ計算公式可以得出光程差主要取決于薄膜厚度，可根據(jù)薄膜厚度得出哪種顏色的光得到增強。并且，由于入射光以及觀察角度的不同，導致不同的呈色。納秒激光著色就是通過控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，獲得不同種類氧化物及不同厚度的氧化物薄膜。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 有、無偏焦各參數(shù)對著色的試驗及結(jié)果

激光著色與激光能量密不可分，著色效果在很大程度上取決于激光在金屬表面的能量密度[14]，其計算公式如下：

式中：Φ為單脈沖激光能量密度，J/m2；Ep為單脈沖激光能量，J；D為光斑直徑，m。

相同填充間距的著色，有、無偏焦的區(qū)別主要存在于光斑重疊率，如圖4所示。

圖4 光斑重疊示意圖

設掃描方向上兩光斑之間的中心距為l，則l與掃描速度之間的關系為：

l=v/f。

式中：v為掃描速度，mm/s；f為重復頻率，Hz。

設光斑掃描方向上重疊部分長為Δl，如圖5所示，光斑重疊率ε為：

從上式可得，在光斑重疊率確定之后，激光能量密度由脈沖能量和掃描速度共同確定。

取偏焦量為+3 mm進行偏焦著色試驗，用單一變量的方法試驗各參數(shù)對著色的影響，在同樣光源并且同一角度下拍攝，實驗結(jié)果如圖5所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖5 偏焦量為+3 mm時著色結(jié)果圖片

圖5(a)是功率為7 W、頻率為20 kHz、填充間距為0.01 mm、掃描速度110～400 mm/s時著色顏色圖，可見顏色分別呈現(xiàn)出藍、紅、綠、紫等色，最終逐漸趨向于不銹鋼本色。這是因為著色存在閾值，當表面能量密度低于某值時，將無法著色。圖5(b)、圖5(c)分別對應功率為7 W、掃描速度為100 mm/s、填充間距為0.01 mm、頻率20～100 kHz和功率為7W、掃描速度為100 mm/s、頻率為20 kHz、填充間距0.001～0.015 mm時著色顏色圖，隨著參數(shù)的改變，顏色并未發(fā)生明顯變化。

取偏焦量為0 mm，即無偏焦，進行著色實驗，用單一變量的方法試驗各參數(shù)對著色的影響，在同樣光源并且同一角度下拍攝，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 偏焦量為0 mm時著色結(jié)果圖片

圖6(a)-圖6(b)分別對應單一的掃描速度、頻率、掃描間距變化時所得的著色顏色圖，結(jié)果表明在聚焦加工時各參數(shù)對于顏色的顯現(xiàn)均影響不大，呈色為藍、褐兩色，較為單一。

2.2 探究同一顏色，有、無偏焦對著色質(zhì)量的影響

從上述試驗中發(fā)現(xiàn)，在有、無偏焦加工中都能獲得藍色樣本，因此選用藍色作為研究有、無偏焦著色質(zhì)量的研究參照。

有偏焦時，著色參數(shù)為：偏焦量3 mm，功率7 W，頻率20 kHz，掃描間距0.01 mm，掃描速度280 mm/s。圖7是所得樣本放大1 000～3 000不同倍數(shù)的表面形貌及微觀三維形貌圖。

圖7 有偏焦表面形貌及微觀三維形貌圖

從放大1 000倍下的表面看到界限不明的黃藍路徑，近乎連成一片；在放大3 000倍下的表面，可以看到成片的藍色區(qū)域，藍色區(qū)域是激光掃描路徑上生成的物質(zhì)呈色，藍色物質(zhì)周邊有燒蝕的微孔結(jié)構(gòu)，對材料表面有損傷；觀察其三維形貌，表面粗糙度為1.6 μm，在平面內(nèi)某一直線上其表面粗糙度僅為0.69 μm。偏焦時，光斑面積大，在脈沖能量相同、掃描間距相同的條件下，能量密度隨之降低，單點的燒蝕程度較低，同時較大光斑面積的掃描，形成較大面積的燒蝕，致使相鄰掃描痕跡覆蓋，獲得較為平緩的表面，降低了表面粗糙度和表面波度。

偏焦為0 mm時著色參數(shù)為：功率7 W、頻率80 kHz、掃描間距0.01 mm、掃描速度150 mm/s。圖8是所得樣本放大1 000～3 000不同倍數(shù)的表面形貌及微觀三維形貌圖。

圖8 無偏焦表面形貌及微觀三維形貌圖

從放大1 000倍下的表面看到明顯的溝壑結(jié)構(gòu)，溝底為藍色，是激光掃描路徑，溝壑兩邊為加工生成熔融物。在放大3 000倍下，依然能看到明顯掃描痕跡，看到更為清晰的藍色呈色物質(zhì)；觀察其三維形貌，表面粗糙度為5.4 μm，在平面內(nèi)某一直線上其表面粗糙度變化曲線可以看出其表面粗糙度為3.38 μm。聚焦時，光斑面積最小，在脈沖能量、掃描間距相同的條件下，能量密度隨之升高，會導致燒蝕痕跡加深，燒蝕物向路徑兩端堆積，從而形成溝壑狀表面形貌，影響其表面粗糙度。通過對比表面粗糙度數(shù)值可得，有偏焦加工可以改善著色表面質(zhì)量，將加工精度提高數(shù)倍。

2.3 有、無偏焦對顏色呈現(xiàn)鮮度的影響

在偏焦量分別為+3 mm和0 mm兩種情況下，控制功率、頻率、掃描間距、掃描速度等參數(shù)，在不銹鋼表面獲得一系列顏色的圖案，將所得的樣品放置在在同一光源下，選取同一拍攝角度對所有圖案一一進行拍攝，得到樣本的宏觀呈色，同時得到觀測每一圖案所對應的微觀顏色，如圖9所示。從圖9(a)可看出無明顯的刻蝕痕跡，微觀顏色由燒蝕和另一種顏色構(gòu)成，該顏色與其宏觀呈色基本相同，統(tǒng)一性較好，宏觀顏色鮮度高。從圖9(b)可看出明顯的刻蝕痕跡，刻蝕痕跡構(gòu)成整齊的平行溝壑結(jié)構(gòu)，微觀顏色由燒蝕色和溝底另一種顏色構(gòu)成，該顏色與其宏觀呈色相差較大，統(tǒng)一性較差，并且宏觀呈色的顏色鮮度較差。

圖9 同一光源、同一拍攝角度的圖案

3 結(jié)語

本文通過對比試驗的方法，分析了激光著色304不銹鋼時有、無偏焦對著色質(zhì)量的影響，得到以下結(jié)論：

1)激光在不銹鋼表面著色，采用偏焦加工的方法，通過改變掃描速度能夠獲得較為明顯的著色效果的改變，獲得較為鮮艷的顏色，頻率和掃描間隙對顏色影響程度較小;而在聚焦加工時，掃描速度、頻率及掃描間距的變化對顏色無明顯影響。

2)采用偏焦著色，獲得了較為平整的著色表面，對聚焦加工形成的溝壑狀表面有極大的改善，著色的表面質(zhì)量提高了多倍。

3)采用偏焦著色，在宏觀上得到較為鮮艷的圖案，其微觀顏色與其宏觀呈色基本一致。采用聚焦加工，得到圖案的宏觀呈色較暗，其微觀顏色與其宏觀呈色差異較大。