一种基于金属材料表面着色技术的着色方法及装置与流程

本发明涉及先进制造技术领域，特别是涉及一种基于金属材料表面着色技术的着色方法及装置。

背景技术：

随着生产生活的日益进步，人们对航空金属材料以及珠宝材料加工也提出了越来越高的要求。例如，在航空航天材料的制造方面，要求所加工材料表面具有一定的光学性能；在医疗器械领域，对其颜色特性有一定的要求；在珠宝行业等领域，则对材料外观的装饰性以及耐磨性、抗腐蚀性提出了一定的要求。因此，在金属材料表面以及珠宝材料表面制备有色膜层，通过表面着色能够得到一层赋有色彩的氧化层薄膜，能够提高航空金属材料以及珠宝材料表面的耐磨、耐腐蚀等性能。

目前金属及珠宝材料表面着色主要采用电火花着色技术，主要原理是利用线切割放电形成的电解作用，在金属材料表面形成一层厚度不同的半透明氧化膜，由于光的干涉作用，所得到氧化膜层的颜色也不同，因此，可以通过控制膜层的厚度来得到想要的颜色。采用电火花着色所得到的金属材料表面，其耐磨性和耐腐蚀性都很强，用于小批量加工，但其缺点是不能在面积较大及结构复杂的航空工件金属表面以及珠宝材料表面进行加工，并且电火花加工过程存在装置比较复杂、电极损耗严重、二次放电、加工效率低、着色质量低以及热影响区大等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于金属材料表面着色技术的着色方法及装置，以解决现有电火花着色方法不适用于材料大面积表面着色、着色装置复杂、电极损耗严重、存在二次放电、加工效率低、着色质量低以及热影响区大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于金属材料表面着色技术的着色装置，所述着色装置包括：计算机(1)、激光器(2)、扩束镜(3)、x-y扫描振镜(4)、聚焦透镜(5)、激光光斑(6)、喷气管(7)、喷气管阀门(8)、工件(9)和工作台(10)；

所述计算机(1)分别与所述激光器(2)、所述x-y扫描振镜(4)和所述工作台(10)连接；所述扩束镜(3)设置在所述激光器(2)的出射光路上；所述x-y扫描振镜(4)设置在所述扩束镜(3)的出射光路上；所述聚焦透镜(5)设置在所述x-y扫描振镜(4)的出射光路上；所述工件(9)固定在所述工作台(10)上；所述喷气管(7)固定安装在所述工作台(10)的一侧；所述喷气管阀门(8)设置在所述喷气管(7)上；

所述着色装置工作时，所述激光器(2)射出的激光光束依次通过所述扩束镜(3)、所述x-y扫描振镜(4)以及所述聚焦透镜(5)后形成所述激光光斑(6)；所述激光光斑(6)聚焦在所述工件(9)表面的待加工区域材料上；所述喷气管(7)喷出的氧化剂汇聚于所述激光光斑(6)处；在激光的作用下，所述待加工区域材料的温度迅速升高，进而与所述氧化剂发生氧化反应，生成相应的赋有色彩的氧化层薄膜。

可选的，所述激光器(2)为纳秒脉冲型激光器。

可选的，所述激光器(2)产生的激光光束的激光功率小于等于7w。

可选的，所述氧化剂为氧气。

可选的，所述待加工区域材料为金属材料。

一种基于金属材料表面着色技术的着色方法，所述着色方法应用于所述着色装置；所述着色方法包括：

准备待加工的工件；

对所述待加工的工件进行预处理，生成处理好的工件；

将所述处理好的工件固定在工作台上，打开激光器，调节所述激光器镜头与所述处理好的工件表面的相对位置，使激光光斑聚焦在所述处理好的工件表面的待加工区域材料上；

打开喷气管阀门，设定激光参数和喷气管的气体流量；

通过激光器发出的激光光束加热所述待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使所述待加工区域材料与所述氧化剂发生快速可控的氧化反应，使待加工的工件表面产生不同颜色的氧化层薄膜。

可选的，所述对所述待加工的工件进行预处理，生成处理好的工件，具体包括：

将所述待加工的工件进行打磨，随后用抛光剂抛光，然后在无水乙醇溶液中超声清洗，去除所述工件表面的杂质及有机物污渍，生成处理好的工件。

可选的，所述打开喷气管阀门，设定激光参数和喷气管的气体流量，具体包括：

打开喷气管阀门，通过调节所述喷气管阀门来调节所述喷气管的气体流量至预设流量；

通过计算机设定激光参数；所述激光参数包括激光器发出激光光束的激光功率、光斑直径、扫描速度和频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种基于金属材料表面着色技术的着色方法及装置，利用高能量的激光光束与物质相互作用的特性，通过计算机来调节激光加工时的激光参数，并在激光辐射工件表面待加工区域材料的同时通以工业氧气，利用喷气管阀门控制氧化剂流量，这样就可以准确控制氧化速率，实现纳秒激光诱导材料表面的可控氧化。本发明方法以及装置具有电火花着色方法无法比拟的优势，主要优点体现在：

(1)纳秒激光束易于聚焦、发散和导向，可以通过计算机控制samlight软件调节包括频率，扫描速度以及能量密度等激光参数，能够适用于不同金属材质表面以及珠宝材料表面的不同颜色的着色加工要求；

(2)纳秒激光诱导可控氧化着色加工过程中不存在电火花着色过程中电极的损耗以二次放电问题，大大了提高着色的精度；由于被加工材料的氧化温度在熔点以下，氧化反应所需的激光功率远远低于激光加工或激光加热辅助软化材料所需的激光功率，故激光产生的热影响区比较小；由于加工过程中激光光束移动速度很快，且激光光束照射到待加工材料表面是局部区域照射，对非激光照射区域不会造成影响；

(3)通过调节激光器和氧化剂参数可以准确控制氧化反应的速率并且工艺可控性高，具有更加高效、高质量的特点。

(4)本发明着色装置结构简单，并且工作台通过计算机控制可以灵活移动，适合复杂的、大面积的航空金属材料工件以及昂贵珠宝材质表面着色，能够提高航空金属材料表面以及珠宝材料表面的耐磨性、耐腐蚀和光学性能，并且具有生产效率高、易实现自动化、洁净环保的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于金属材料表面着色技术的着色装置的结构示意图；

图中标号分别为：计算机(1)，激光器(2)，扩束镜(3)，x-y扫描振镜(4)，聚焦透镜(5)，激光光斑(6)，喷气管(7)，喷气管阀门(8)，工件(9)和工作台(10)；

图2为本发明提供的纳秒激光光斑扫略路径的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于金属材料表面着色技术的着色方法及装置，以解决现有电火花着色方法不适用于材料大面积表面着色、着色装置复杂、电极损耗严重、存在二次放电、加工效率低、着色质量低以及热影响区大的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的基于金属材料表面着色技术的着色装置的结构示意图。参见图1，所述着色装置包括：计算机(1)、激光器(2)、扩束镜(3)、x-y扫描振镜(4)、聚焦透镜(5)、激光光斑(6)、喷气管(7)、喷气管阀门(8)、工件(9)和工作台(10)。

所述计算机(1)分别与所述激光器(2)、所述x-y扫描振镜(4)和所述工作台(10)连接；所述计算机(1)的作用包括：(a)所述计算机(1)通过安装在计算机(1)上的samlight软件调节激光器(2)进行激光加工时的激光参数；(b)用所述计算机(1)控制x-y扫描振镜(4)上扫描振镜的角度，使扫描振镜根据需要沿x、y轴偏转，从而实现激光光束的偏转，使具有一定功率密度的激光光束聚焦在待加工材料上按所需的要求运动；(c)控制工作台(10)的移动。

所述扩束镜(3)设置在所述激光器(2)的出射光路上；所述扩束镜(3)的作用是改变由所述激光器(2)出射的激光光束的直径和发散角。所述x-y扫描振镜(4)设置在所述扩束镜(3)的出射光路上；激光光束通过扩速镜(3)入射到x-y扫描振镜(4)上，通过计算机(1)控制扫描振镜的角度，所述扫描振镜可分别沿x、y轴偏转，从而达到激光光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦在待加工工件(9)表面按所需的要求运动。所述聚焦透镜(5)设置在所述x-y扫描振镜(4)的出射光路上；所述聚焦透镜(5)使由x-y扫描振镜(4)射出的激光光束在待加工工件材料表面形成聚焦。

所述工件(9)固定在所述工作台(10)上；加工工件(9)的不同位置时，通过计算机(1)来控制调节所述工作台(10)的移动，从而带动所述工件(9)共同运动。所述喷气管(7)固定安装在所述工作台(10)的一侧，所述喷气管(7)与所述激光光斑(6)的相对位置保持不变。所述喷气管阀门(8)固接在所述喷气管(7)上；通过控制喷气管阀门(8)的旋转方向来调节喷气管(7)喷出的气体流量的大小(流量参数)。

所述着色装置工作时，所述工作台(10)上固定有待加工的工件(9)，所述激光器(2)射出的激光光束依次通过所述扩束镜(3)、所述x-y扫描振镜(4)以及所述聚焦透镜(5)后形成所述激光光斑(6)；所述激光光斑(6)聚焦在所述工件(9)表面的待加工区域材料上；所述喷气管(7)喷出的氧化剂始终汇聚于所述激光光斑(6)处；所述喷气管(7)与所述激光光斑(6)的相对位置保持不变。所述喷气管(7)上装有喷气喷管阀门(8)，通过阀门来控制氧气的流量。在激光的作用下，所述待加工区域材料的温度会迅速升高，进而与所述氧化剂发生快速的氧化反应，生成相应的赋有色彩的氧化层薄膜。

其中，所述激光器(2)优选为纳秒脉冲型激光器。所述激光器(2)产生的激光光束的激光功率不超过7w。所述氧化剂为氧气。所述待加工区域材料为金属材料，优选为钛合金材料。

所述着色装置以激光作为热源，照射在待加工材料表面并在其工件表面通以辅助性氧气，使其加速氧化生成一层赋有色彩的氧化层薄膜。图2为本发明提供的纳秒激光光斑扫略路径的原理图。本发明纳秒激光光斑扫略路径通过线扫描完成。本发明装置中纳秒激光光斑直径固定为57μm，激光重复频率选用20khz，扫描间距选用10μm。在纳秒激光诱导可控氧化金属材料表面着色过程中，氧化过程主要考虑了激光两个主要因素：激光能量密度和激光重叠率。通过控制纳秒激光平均功率来控制激光能量密度的大小，通过调节扫描速度来控制激光重叠率(脉冲重叠率和扫描路径重叠率)的大小。而激光平均功率和扫描速度(激光器(2)的激光参数)又是通过计算机(1)装置控制samlight软件来调节的。

基于本发明提供的所述着色装置，本发明还提供一种基于金属材料表面着色技术的着色方法，所述着色方法包括：

步骤一：准备待加工的工件；所述待加工的工件可以是航空金属材料工件工件。

步骤二：对所述待加工的工件进行预处理，生成处理好的工件。

将所述待加工的工件进行打磨，随后用抛光剂抛光，然后在无水乙醇溶液中超声清洗，去除所述工件表面的杂质及有机物污渍，生成处理好的工件。

优选的，将待加工的工件材料先后用320#-2000#的水砂纸打磨，随后用1μm粒度的高效金刚石抛光剂抛光，使表面粗糙度ra≤0.3μm，然后在无水乙醇溶液中超声清洗10-15min，以去除表面的杂质及有机物污渍，生成处理好的工件。

步骤三：将所述处理好的工件固定在工作台上，打开激光器，调节所述激光器镜头与所述处理好的工件表面的相对位置，使激光光斑聚焦在所述处理好的工件表面的待加工区域材料上，实现激光器焦距的调节；

步骤四：打开喷气管阀门，设定激光参数和喷气管的气体流量。

打开所述喷气管阀门，通过调节所述喷气管阀门来调节所述喷气管的气体流量至预设流量；优选的，所述预设流量为5l/min。

通过计算机设定激光参数；所述激光参数包括激光器发出激光光束的激光功率、光斑直径、扫描速度和频率，还可以包括脉宽。其中激光功率不超过7w，优选为3.2w；光斑直径优选为57μm，脉宽优选为100ns，频率优选为20khz。

步骤五：根据工件表面待加工区域材料的氧化特性，通过激光器发出的激光光束加热所述待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使所述待加工区域材料与所述氧化剂发生快速可控的氧化反应，通过调节激光参数和氧化剂参数控制氧化反应的速率，使待加工的工件表面产生不同颜色的氧化层薄膜。

步骤六：关闭激光器和喷气管阀门。

针对现有电火花着色方法的局限性因素，在结合传统激光加工方法的基础上，本发明提出一种纳秒激光诱导可控氧化金属材料表面着色的方法及装置。本发明装置及方法通过与计算机技术相结合，利用高能量的激光光束与物质相互作用的特性，通过计算机控制samlight软件来调节激光加工时的参数，并在激光辐射待加工金属材料表面中心区域时通以工业氧气，利用喷气管阀门控制氧气流量，这样就可以准确控制氧化速率，实现纳秒激光诱导金属材料表面可控氧化。本方法以及装置具有电火花着色方法无法比拟的优势。主要优点体现在：

1、由于纳秒激光具有脉冲时间短、光斑尺寸小、时间和空间控制性好等特点，而且能量密度和功率密度都很高，可氧化绝大多数的金属和非金属物质，因此适用于各种金属材料的着色加工(钛合金、硬质合金、不锈钢等)，尤其适合航空金属结构件表面以及金银等珠宝材料表面的着色加工。

2、纳秒激光束易于聚焦、发散和导向，可以通过计算机控制samlight软件调节激光参数包括频率，扫描速度以及能量密度，能适应不同金属材质表面的不同颜色的着色加工要求。

3、纳秒激光诱导可控氧化着色加工过程中不存在电火花着色过程中电极的损耗以二次放电的问题，能够大大提高着色的精度。

4、由于材料的氧化温度在熔点以下，氧化反应所需的激光功率远远低于激光加工或激光加热辅助软化材料所需的激光功率，故激光产生的热影响区比较小。

5、由于加工过程中激光光束移动速度很快，且激光光束照射到待加工材料表面是局部区域，对非激光照射区域不会造成影响。

6、通过调节激光和氧化剂参数可以准确控制氧化反应的速率并且工艺可控性高，因此本发明方法具有高效，高质量的特点。

7、本发明装置结构简单，并且工作台通过计算机控制可以灵活移动，适合复杂的、大面积的航空金属结构件以及昂贵珠宝材质表面着色，能够实现航空难加工材料(钛合金)、珠宝等材料表面的着色加工，提高航空难加工材材料(钛合金)以及珠宝表面的光学性能，提高钛合金以及珠宝表面的耐磨性和耐腐蚀化并呈现出不同的色彩，生产效率高、易实现自动化、并且更洁净环保。

下面以ti6al4v(钛六铝四钒)钛合金作为工件材料，氧气作为氧化剂，ylp型脉冲光纤激光器作为激光器，结合图1对本发明方法及装置进行进一步说明。

ti6al4v钛合金，主要由ti、al和v等元素组成，熔点为1643℃，氧化物主要为tio2和al2o3。在激光和氧气的耦合作用下，ti6al4v钛合金表面材料与喷气管喷出的氧气接触；氧气分子得到表面金属原子的电子；带负电的氧离子与带正电的金属离子相结合并向金属内部扩散，激光在金属表面辐射后，会产生一层透明或半透明的氧化膜，当一束光照射在透明或半透明薄膜表面时，一部分光会在薄膜上表面发生反射，另一部分进入薄膜，在薄膜下表面发生反射，并从上表面射出，与前一束光交汇。这两束光是从同一列光分得的，是相干光。当它们的相位相同时，反射率会达到最大，而相位相反时则会使它们相消，使反射率变小。其他条件相同时，同一入射角的不同波长的相干光的相位差不同，它们的反射率也会不同，从而形成特定的氧化物颜色。

采用本发明装置及方法对ti6al4v(钛六铝四钒)钛合金进行表面着色的过程如下：

步骤一：通过有限元仿真的方法研究激光作用下温度场的分布情况，根据温度场的分布情况结合实验的方法研究不同激光参数和氧气流量下以及工件材料氧化层薄膜颜色变化范围，所需求的颜色变化范围来确定试验参数(激光参数和气体流量)。

步骤二：工件材料的预处理，将工件材料先后用320#-2000#的水砂纸打磨，随后用1μm粒度的高效金刚石抛光剂抛光，使表面粗糙度ra≤0.3μm，然后在无水乙醇溶液中超声清洗10-15min，以去除表面的杂质及有机物污渍；

步骤三：将工件固定在工作台上，打开激光器，调节激光器镜头与工件表面的相对位置，使激光光斑聚焦在待加工表面上，实现激光器焦距的调节；

步骤四：打开喷气管阀门，设定氧化气体流量的参数和激光参数，所述激光参数包括激光功率、光斑直径、脉宽、频率和扫描速度，其中激光功率优选为3.2w，光斑直径为57μm，脉宽100ns，频率20khz，氧气流量为5l/min(不同的激光参数会得到不同的氧化层薄膜颜色)；

其中激光功率、频率参数是由计算机(1)控制samlight软件来设定的。氧化气体流量的参数(气体流量的大小)是通过喷气管阀门(8)来调节的。

步骤五：根据工件表面待加工区域材料的氧化特性，通过激光器加热待加工区域材料，并通以辅助性氧化气体作为氧化剂，利用激光产生的瞬间高温使待加工区域材料与氧化剂发生快速可控的氧化反应，根据已调节激光和氧化剂参数控制氧化反应的速率，使待加工的工件表面进行激光诱导可控氧化，产生赋有色彩的氧化层薄膜；

步骤六：关闭激光器和喷气管阀门。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。