СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ Российский патент 2001 года по МПК B23K26/18 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к методам лазерного маркирования, и может быть использовано в операциях по маркировке изделий с покрытиями.

Известен способ, реализованный в устройстве для лазерной маркировки [1], при котором на обрабатываемую поверхность направляют сфокусированное лазерное излучение, а требуемый набор символов маркера задается трафаретом. Известен также способ лазерной гравировки [2], при котором на обрабатываемую поверхность направляют сфокусированное лазерное излучение с заданной длиной волны и перетяжкой, заглубляя последнюю в материал на величину, необходимую для получения знака с выпуклой поверхностью.

Недостатком данных способов является то, что они направлены на оптимизацию собственно процесса получения знаков на поверхности изделий и не принимают во внимание происходящее при этом изменение качества обрабатываемой поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ выполнения шрифтовых знаков в специально выделенном поле на материале, содержащем основу и нанесенное на нее покрытие [3], заключающийся в том, что знаки выполняют с помощью лазерного луча, которым управляют посредством направляющего узла. При попадании лазерного луча на обрабатываемый материал его покрытие испаряется. Способ отличается тем, что поле надписи полностью или частично делят на растры. Лазерный луч посредством направляющего узла перемещают вдоль выделенных точек. Система управления, действующая на основе светотени, обеспечивает попадание лазерного луча на обрабатываемый материал лишь в тех точках, которые лежат внутри контура, ограниченного отдельными линиями, образующими выполняемый шрифтовой знак.

Недостатком данного способа является то, что при его использовании невозможно совместить процессы одновременного выполнения надписей и повышения коррозионной и износостойкости обрабатываемого участка поверхности детали, т.к. данное техническое решение предназначено лишь для маркировки изделий.

Задача, решаемая изобретением, - обеспечение возможности одновременного маркирования изделий с покрытиями и повышения коррозионной и износостойкости поверхности изделия на обрабатываемых участках.

Эта задача решается тем, что на обрабатываемую поверхность изделия с покрытием направляют сфокусированное лазерное излучение и удаляют покрытие, нанося рисунок маркировки, при этом параметры процесса, позволяющие одновременно удалять покрытие и производить термообработку лежащего под ним материала, выбирают следующие: мощность импульса лазерного излучения, обеспечивающую плотность мощности, рекомендуемую для термообработки, а радиус r пятна фокусировки лазерного излучения и количество n импульсов, направляемых на каждый элемент рисунка маркировки определяют, исходя из следующих соотношений:
r = (h³/8-3•P•τ•tgϕ/πL_и)^1/3,

где P - мощность импульса лазерного излучения, τ - длительность импульсов лазерного излучения, h - ширина линии маркировки, ϕ - половинный угол раствора светового конуса, L_и - удельная энергия испарения удаляемого покрытия, l - толщина удаляемого покрытия.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что производят маркировку изделия с многослойным покрытием.

Такое выполнение способа позволяет совместить операции нанесения рисунка маркировки, получаемого за счет удаления покрытия, и термообработки вскрываемых участков материала изделия. Показатели коррозионной и износостойкости обработанной поверхности улучшаются за счет термоупрочнения поверхности и заплавления поверхностных дефектов.

На чертеже приведена схема реализации предлагаемого способа.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

Для изделия из материала 1 с покрытием 2 выбирают мощность P и радиус r пятна фокусировки лазерного излучения 3 с таким условием, чтобы плотность мощности соответствовала рекомендуемой для термоупрочнения материала покрытия 2 плотности мощности, а ширина h линии маркировки соответствовала заданной величине. Для этого радиус r пятна фокусировки лазерного излучения 3 должен соответствовать следующему соотношению:
r = (h³/8-3•P•τ•tgϕ/πL_и)^1/3,
где P - мощность импульса лазерного излучения 3, τ - длительность импульсов лазерного излучения 3, h - ширина линии маркировки, ϕ - половинный угол раствора светового конуса лазерного излучения 3, L_и - удельная энергия испарения удаляемого покрытия 2. После этого лазерное излучение 3 фокусируют на поверхности обрабатываемого изделия и выполняют обработку рисунка. При этом на каждый элемент рисунка направляют количество импульсов n, определяемое по формуле

где l - толщина покрытия 2.

Выполнение вышеуказанных соотношений позволяет покрытие 2 удалять на участках обработки, а основной материал изделия 1 термоупрочнять, причем микродефекты 4 на поверхности основного материала изделия 1, заполненные до этого материалом покрытия 2, заплавить, и на поверхности обрабатываемого изделия получить рисунок маркировки.

Данный способ может быть использован и для маркировки многослойных покрытий, при этом на участках обработки удаляют материал внешнего покрытия, а термоупрочняют материал покрытия, лежащего под ним.

Источники информации
1. А. с. СССР N 1827336, МКИ B 23 K 26/00 / А.А.Бетин, В.Ф.Киселев. Устройство для лазерной маркировки. Заявл. 11.04.91. Опубл. 15.07.93, БИ N 26.

2. А.с. СССР N 1704990, МКИ B 23 K 26/00 / В.П.Котляров, А.Г.Бобылев, В. П. Царук, В. С. Коваленко, Н.К.Мурзун, Ю.А.Сорокин, И.Н. Свидерский. Способ лазерной гравировки. Заявл. 07.02.90. Опубл. 15.01.92, БИ N 2.

3. Выложенная заявка ФРГ N OS 3545144, МКИ B 23 K 26/08 / Способ и устройство для выполнения шрифтовых знаков. Заявл. 19.12.85. Опубл. 25.06.87, БИ N 26.

Изобретение может быть использовано в операциях по маркировке изделий с многослойными покрытиями в различных отраслях машиностроения. Для изделия из материала с покрытием выбирают мощность Р и радиус r пятна фокусировки лазерного излучения с таким условием, чтобы плотность мощности соответствовала рекомендуемой для термоупрочнения материала покрытия, а ширина h линии маркировки соответствовала заданной величине. Для этого радиус r пятна фокусировки лазерного излучения должен соответствовать следующему соотношению: r = (h³/8-3•Pτtgϕ/πL_и)^1/3, где τ - длительность импульсов лазерного излучения, ϕ - половинный угол раствора светового конуса лазерного излучения, L_и - удельная энергия испарения удаляемого покрытия. После этого лазерное излучение фокусируют на поверхности обрабатываемого изделия и выполняют обработку рисунка. При этом на каждый элемент рисунка направляют количество импульсов n, определяемое по формуле n = (l³+3•l²•r/tgϕ+3•l•r²/tg²ϕ)•π•tg²ϕ•L_и/3Pτ, где l - толщина покрытия. Выполнение вышеуказанных соотношений позволяет термоупрочнить основной материал изделия, а микродефекты на поверхности основного материала изделия, заполненные до этого материалом покрытия, заплавить и на поверхности обрабатываемого изделия получить рисунок маркировки, или на участках обработки удалить материал внешнего покрытия и термоупрочнить материал покрытия, лежащего под ним. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ лазерной маркировки, при котором на обрабатываемую, поверхность изделия с покрытием направляют сфокусированное лазерное излучение и удаляют покрытие, нанося рисунок маркировки, отличающийся тем, что одновременно с удалением покрытия производят термообработку лежащего под ним материала, для чего выбирают следующие параметры процесса: мощность импульса лазерного излучения, обеспечивающую плотность мощности, рекомендуемую для термообработки, а радиус r пятна фокусировки лазерного излучения и количество n импульсов, направляемых на каждый элемент рисунка маркировки, определяют, исходя из следующих соотношений:
r = (h³/8-3•P•τ•tgϕ/πL_и)^1/3,

где Р - мощность импульса лазерного излучения;
τ - длительность импульсов лазерного излучения;
h - ширина линии маркировки;
ϕ - половинный угол раствора светового конуса;
L_и - удельная энергия испарения удаляемого покрытия;
l - толщина удаляемого покрытия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют маркировку изделия с многослойным покрытием.