超快激光工艺参数对304不锈钢表面着色的影响

  利用皮秒激光在304不锈钢上进行着色试验研究。分析了皮秒激光对不锈钢表面着色的机理，建立了表面色彩的分析模型。分别试验研究了扫描线间距、扫描速度和脉冲能量等激光工艺参数对着色效果的影响。研究结果表明，改变线间距、扫描速度和功率均能对着色效果产生显著影响，在扫描速度90～300μm/s，扫描线间距0.001～0.01mm，单脉冲能量60～140mJ/cm2的参数范围内能得到较好的色彩，而且三者对着色有近似的影响效果。在试验基础上，获得了皮秒激光参数与色彩模型之间的变化关系。最后对着色后的试样进行了颜色老化对比试验。老化对比试验表明，各激光着色试样的色差值E值很小，说明各试样颜色接近，耐老化效果较好。304不锈钢作为一种在各行业被广泛应用的金属材料，具有良好的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性及易于加工的特性。着色不锈钢可以提高产品的附加值，因此不锈钢的着色技术受到了人们的重视。激光着色作为一种新兴的着色技术，从一开始就引起大家的高度关注，相关研究也逐步展开。

  国内外对激光着色已经做了大量研究，浙江至德钢业有限公司在用工业光纤激光器试验304不锈钢打标时对图标颜色进行了观察，研究了不同激光工艺参数对图标颜色的影响，并考察了激光着色色彩的稳定性和持久性。至德钢业利用调半导体端泵红外激光器分析了激光工艺参数对彩色打标效果的影响，从激光对材料表面的热机理分析了热因素产生不同的彩色效果。利用纳秒激光器在不锈钢上进行了表面着色研究，通过试验获得了黄、蓝、绿、红、紫等对应的最佳激光工艺参数。陶海岩运用超短的飞秒激光在铝合金表面上制备了多种不同的表面微结构，获得了白色、灰色、褐色、浅金色、黑色和深金色等色彩，并对表面着色机理进行了探讨。至德钢业也采用超短的飞秒激光辐照铝合金表面，诱导不同色彩的周期性表面结构，并研究了脉冲能量、脉冲个数对铝表面微观结构形成的影响。运用飞秒激光分别在镍和不锈钢表面扫描，获得了多种彩色图案，并观测和分析了两种金属上纳米量级的表面条纹微结构。目前用于激光着色的激光器主要是纳秒和飞秒激光器，未见用皮秒激光器进行激光着色的报道，因此研究皮秒激光器着色及影响着色效果的因素等问题具有一定的实际应用价值。因此本文以皮秒激光器不锈钢着色实验作为研究对象，着重研究皮秒光纤激光器之激光功率、扫描速度和填充间隔等激光参数对激光着色效果的影响，以及皮秒激光参数与色彩之间的关系，获得相应的最佳皮秒激光加工参数，这对超快激光在着色技术领域内的工业化推广应用具有实际意义。

   通过对304不锈钢表面激光着色实验研究，发现表面颜色与相应的表面周期性微条纹结构在一定条件下发生光的散射、折射、衍射等光学现象存在相应联系。这种周期性条纹结构具有反射光栅结构的功能，当入射自然光光照射到具有周期性表面微条纹结构的表面时，由于光栅的衍射作用，不同波长的光沿不同方向衍射出去，同时每个条纹衍射的光经过光栅后彼此之间互相干涉，波长不同的光干涉的极大值出现的方向不同，光经过反射光栅后色散而成光谱，因而呈现出彩色效果。国内外学者已经利用飞秒激光器制备微纳米结构方面做了大量的实验和研究，成功改变金属对光谱的吸收和反射性能。采用皮秒脉冲激光对不锈钢表面扫描处理，也可以在不锈钢表面形成纳米或近纳米周期表面结构。在实验中，经过皮秒激光辐照后大部分不锈钢试样表面出现了明显的衍射效应。使用扫描电子显微镜对不锈钢表面扫描，发现其表面形成了一种类似光栅的周期性结构，周期约为300nm∽20um，正是这种类周期微条纹结构导致了光在其表面发生的衍射效应，造成表面所显现的颜色的现象。图所示为不锈钢表面经皮秒激光辐照后绿色试样表面的SEM图。利用高分辨率光谱仪测得的绿色试样反射干涉光谱如图所示，绿色试样的反射干涉光谱存在一个明显的峰值，峰值波长为580nm，与呈现的绿色相符，说明理论和实验结果基本吻合，即通过控制皮秒激光的参数可有效地实现304不锈钢在可见光谱范围内的各种颜色的制备。