一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法转让专利
申请号 : CN201310428884.6
文献号 : CN103480967B
文献日 : 2015-04-01
发明人 : 曹宇 , 朱德华 , 瞿建武 , 李峰平 , 冯爱新 , 魏鑫磊
申请人 : 温州大学
摘要 :
本发明提供了一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法，包括：(1)对激光扫描着色图形进行矢量化处理和填充处理；(2)将待着色的铝合金工件的表面进行脱脂、除油和清洗处理；(3)将清洗后的铝合金工件置于预先配制好的着色溶液内；(4)采用激光器输出脉冲激光束，聚焦于铝合金工件表面，进行激光路径扫描；(5)扫描完成后，清洗铝合金工件，得到具有激光扫描着色图形的铝合金工件。本发明由于采用了脉冲激光激发高温蒸汽泡的爆破作用，对氧化表面和非氧化表面均可实施着色，省去了传统着色工艺必须的抛光、氧化等多道工序。同时节省材料、低成本，着色液消耗少，可经过过滤重复使用，着色液与工件表面结合牢固，不易褪色，耐久性好。
权利要求 :
1.一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对激光扫描着色图形进行矢量化处理和填充处理，得到若干条矢量化的搭接填充线条；所述激光扫描着色图形是指铝合金工件表面的着色区域所对应的图形；所述矢量化处理是指将激光扫描着色图形重建为矢量化着色图形；所述填充处理是指当矢量化着色图形的任意线条宽度W大于激光束光斑直径D时，则将该线条变换为N条窄线条的搭接填充组合；
(2)将待着色的铝合金工件的表面进行脱脂、除油和清洗处理；
(3)将清洗后的铝合金工件置于预先配制好的着色溶液内，并完全浸入着色溶液内，着色溶液的液面与铝合金工件上表面的距离为0.5～10mm，并使着色溶液均匀流动，流速控制在1～10mm/s；
(4)采用激光器输出脉冲激光束，聚焦于铝合金工件表面，按照步骤(1)得到的矢量化的搭接填充线条进行激光路径扫描；
(5)扫描完成后，清洗铝合金工件，得到具有激光扫描着色图形的铝合金工件。
2.根据权利要求1所述的铝合金表面的激光扫描选择性着色方法，其特征在于，所述步骤(5)之后还包括：(6)对铝合金工件表面进行机械光亮处理，去掉激光扫描着色图形的表面残渣。
说明书 :
一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法
技术领域
[0001] 本发明属于激光加工领域，具体涉及一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法。
背景技术
[0002] 铝及铝合金虽然在空气中能自然形成一层厚度约为0.01～0.02μm的氧化膜，这层氧化膜是非晶态的，薄而多孔、不均匀，硬度也不高，虽然在大气中有一定的耐蚀性，但是在碱性和酸性溶液中易被腐蚀，不能作为可靠的防护-装饰性膜层。因此铝及铝合金必须根据不同的技术要求和使用环境选择相应的表面处理工艺。
[0003] 由于铝及其合金的线膨胀系数较大，金属活性较高，一般多采用氧化的方法对其表面进行处理。化学氧化处理是铝合金表面氧化处理的技术之一，即将铝及铝合金在一定的电解液中进行阳极氧化处理，在其表面生成多孔的氧化膜，多孔氧化膜经封闭处理后，可显著地提高铝及铝合金的耐蚀性，之后再经着色处理，可得到不同颜色的装饰性涂膜。
[0004] 目前，铝合金表面的着色技术主要包括电解着色法、化学着色法和涂装着色法等。电解着色法是将经过阳极氧化的铝或铝合金放入含有重金属的盐类溶液中进行电解着色。
典型的电解着色法工艺包括：上挂架→化学脱脂→清洗→中和→清洗→抛光→清洗→阳极氧化→清洗→染色或电解着色→清洗→封闭→机械光亮→检验。化学着色法是燃料被吸附在膜层的空隙内而着色。典型的铝合金着黑色的工艺包括：除油脱脂→水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→化学氧化→水洗→化学发黑→水洗→封闭→水洗→干燥→成品。可见，现有技术中的铝合金表面的着色一般都具有工序复杂、效率低，只能整体着色(难以选择性着色)，同时着色材料消耗大等缺点。
典型的电解着色法工艺包括：上挂架→化学脱脂→清洗→中和→清洗→抛光→清洗→阳极氧化→清洗→染色或电解着色→清洗→封闭→机械光亮→检验。化学着色法是燃料被吸附在膜层的空隙内而着色。典型的铝合金着黑色的工艺包括：除油脱脂→水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→化学氧化→水洗→化学发黑→水洗→封闭→水洗→干燥→成品。可见，现有技术中的铝合金表面的着色一般都具有工序复杂、效率低，只能整体着色(难以选择性着色)，同时着色材料消耗大等缺点。
发明内容
[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法；该铝合金表面的激光扫描选择性着色方法可在铝合金表面制作各种颜色图案花纹，具有工序简单、低成本、高效率、节省材料、耐久性好的优点。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0007] 一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法，包括以下步骤：
[0008] (1)对激光扫描着色图形进行矢量化处理和填充处理，得到若干条矢量化的搭接填充线条；所述激光扫描着色图形是指铝合金工件表面的着色区域所对应的图形；所述矢量化处理是指将激光扫描着色图形重建为矢量化着色图形；所述填充处理是指当矢量化着色图形的任意线条宽度W大于激光束光斑直径D时，则将该线条变换为N条窄线条的搭接填充组合。
[0009] (2)将待着色的铝合金工件的表面进行脱脂、除油和清洗处理；
[0010] (3)将清洗后的铝合金工件置于预先配制好的着色溶液内，着色溶液的液面与铝合金工件上表面的距离为0.5～10mm，并使着色溶液均匀流动，流速控制在1～10mm／s；
[0011] (4)采用激光器输出脉冲激光束，聚焦于铝合金工件表面，按照步骤(1)得到的矢量化的搭接填充线条进行激光路径扫描；
[0012] (5)扫描完成后，清洗铝合金工件，得到具有激光扫描着色图形的铝合金工件。
[0013] 进一步的，所述步骤(5)之后还包括：
[0014] (6)对铝合金工件表面进行机械光亮处理，去掉激光扫描着色图形的表面残渣。
[0015] 本发明所述的铝合金表面的激光扫描选择性着色方法主要基于以下原理实现的：即当激光脉冲作用在铝合金表面时，焦斑作用微区吸收激光能量以极限速度升温(达4 6
10～10 ℃／s)，立刻发生部分熔化和高温氧化；同时焦斑作用微区之上的液体也被极速-8
加热、汽化，形成众多细小的高温蒸汽泡；这些小气泡成核的弛豫时间约10 s，刚成核的临界气泡直径约10～100nm，然后气泡爆破，爆破压力一方面使得部分熔渣和氧化物飞溅离开焦斑作用微区表面，形成微观粗糙结构，另一方面着色液体以爆破冲击波形式作用于焦斑作用微区表面，嵌入吸附在微观粗糙结构的缝隙内，冲击波的压力还起到对微观结构的压力封闭作用，使着色区域不再具有吸附性，并且耐磨、耐温、绝缘性都得到加强。
10～10 ℃／s)，立刻发生部分熔化和高温氧化；同时焦斑作用微区之上的液体也被极速-8
加热、汽化，形成众多细小的高温蒸汽泡；这些小气泡成核的弛豫时间约10 s，刚成核的临界气泡直径约10～100nm，然后气泡爆破，爆破压力一方面使得部分熔渣和氧化物飞溅离开焦斑作用微区表面，形成微观粗糙结构，另一方面着色液体以爆破冲击波形式作用于焦斑作用微区表面，嵌入吸附在微观粗糙结构的缝隙内，冲击波的压力还起到对微观结构的压力封闭作用，使着色区域不再具有吸附性，并且耐磨、耐温、绝缘性都得到加强。
[0016] 因此，本发明具有如下有益效果：
[0017] 一是工序简单；由于采用了脉冲激光激发高温蒸汽泡的爆破作用，对氧化表面和非氧化表面均可实施着色，省去了传统着色工艺必须的抛光、氧化等多道工序。
[0018] 二是节省材料、低成本，着色液消耗少，可经过过滤重复使用。
[0019] 三是可实现高效率选择性着色，任意制作各种花纹图案，通过多次更换不同着色液，可以实现不同颜色图案的着色，不需要传统工艺的掩膜遮盖措施。
[0020] 四是耐久性好，着色液与工件表面结合牢固，不易褪色，耐久性好。
附图说明
[0021] 图1为脉冲激光作用激发蒸气波爆破示意图；
[0022] 图2为激光着色区域的表面粗糙结构横断面微观形貌照片；
[0023] 图3为激光选择性着色的着色区域与未着色区域的微观形貌对比照片；
[0024] 图4为激光选择性着色的着色区域在高放大倍数下的微观形貌照片。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0026] 一种铝合金表面的激光扫描选择性着色方法，包括以下步骤：
[0027] (1)对激光扫描着色图形进行矢量化处理和填充处理，得到若干条矢量化的搭接填充线条；
[0028] 所述激光扫描着色图形是指铝合金工件表面的着色区域所对应的图形；激光扫描着色图像在实施本发明所述的激光扫描选择性着色方法之前，需要预先设计好，其可以是任意形状，比如圆形、正方形或任意多边形等；也可以不仅包含图形轮廓，同时包含图形轮廓内部的部分，比如实心圆形、实心多边形等。
[0029] 矢量化处理是指：若着色图形是非矢量化的像素栅格图像，则对栅格图像采用现有技术中已知的任意一种矢量化图像处理方法，进行分析、识别并重建为矢量图形对象；若着色图形已是矢量化图形则可省略矢量化处理步骤。
[0030] 填充处理是指：当矢量化着色图形中存在任一线条的宽度W大于激光束光斑直径D时，则将该线条变换为N条窄线条的搭接填充组合，该窄线条简称为搭接填充线条。
[0031] 其中，N=W／(D*(1-K))，搭接填充线条间距为D*(1-K)，其中K为搭接率，K的一般取值为10％～50％。
[0032] 若矢量化着色图形中任一线条的宽度W小于等于激光束光斑直径D，则无需进行填充处理，该线条即为搭接填充线条。
[0033] (2)将待着色的铝合金工件的表面进行脱脂、除油和清洗处理；
[0034] (3)将清洗后的铝合金工件置于预先配制好的着色溶液内，液面距工件上表面0.5～10mm均可，并使溶液处于缓慢、均匀流动状态，流速控制在1～10mm／s。
[0035] 其中，着色溶液为普通电解着色法中使用的着色溶液，分为有机着色液和无机着色液两类。有机着色液品种繁多，而无机着色液的组成主要是以磷酸、硫酸、草酸等强酸作为基本液，添加多价金属盐、络合物形成剂和PH缓冲剂。多价金属盐使铝件表面具有各种颜色，可采用Sn、Ni、Co、Fe、Cu、Se、Ag、Au、V、Mn等的醋酸盐和硫酸盐。络合物形成剂在电解中调节电解液中的离子动态，促进着色效果，可用硼酸、胺化合物。PH缓冲剂调节金属离子析出物的成长。
[0036] 本发明不对具体采用何种着色溶液进行限制，只要该着色溶液可以使铝合金工件着色即可。
[0037] (4)采用激光器输出脉冲激光束，聚焦于铝合金工件表面，按照步骤(1)得到的矢量化的搭接填充线条进行激光路径扫描。
[0038] 其中，激光器的激光扫描参数为单脉冲能量1mJ～2J，脉冲重复频率100Hz～100KHz，扫描速度0.1～5mm／s，具体激光扫描参数的选定主要取决于铝合金的牌号、着色液的种类、着色溶液的液面与工件表面的距离、要求着色深度等。
[0039] 如图1所示，当脉冲激光束1作用在置于着色溶液2内的铝合金工件3表面时，焦4 6
斑作用微区吸收激光能量以极限速度升温(达10～10 ℃／s)，立刻发生部分熔化和高温氧化；同时焦斑作用微区之上的液体也被极速加热、汽化，形成众多细小的高温蒸汽泡4；
-8
这些高温蒸气泡4成核的弛豫时间约10 s，刚成核的临界气泡直径约10～100nm，然后气泡爆破，爆破压力一方面使得部分熔渣和氧化物等飞溅物5离开焦斑作用微区表面，焦斑作用微区形成微观粗糙结构；另一方面着色溶液2以爆破冲击波形式作用于焦斑作用微区表面，颜料粒子6嵌入吸附在微观粗糙结构的缝隙内，冲击波的压力还起到对微观结构的压力封闭作用，使着色区域不再具有吸附性，并且耐磨、耐温、绝缘性都得到加强。
斑作用微区吸收激光能量以极限速度升温(达10～10 ℃／s)，立刻发生部分熔化和高温氧化；同时焦斑作用微区之上的液体也被极速加热、汽化，形成众多细小的高温蒸汽泡4；
-8
这些高温蒸气泡4成核的弛豫时间约10 s，刚成核的临界气泡直径约10～100nm，然后气泡爆破，爆破压力一方面使得部分熔渣和氧化物等飞溅物5离开焦斑作用微区表面，焦斑作用微区形成微观粗糙结构；另一方面着色溶液2以爆破冲击波形式作用于焦斑作用微区表面，颜料粒子6嵌入吸附在微观粗糙结构的缝隙内，冲击波的压力还起到对微观结构的压力封闭作用，使着色区域不再具有吸附性，并且耐磨、耐温、绝缘性都得到加强。
[0040] 激光着色区域(即焦斑作用微区)的表面粗糙结构横断面如图2所示，可见激光着色处理后，工件表面激光着色区域内部呈多孔织构形态，其不规则孔洞成为着色剂分子的吸附场所，从而达到宏观可见的着色效果。
[0041] (5)扫描完成后，清洗工件，得到具有激光扫描着色图形的铝合金工件。
[0042] (6)对工件表面进行机械光亮处理，如打磨，去掉激光扫描着色图形的表面残渣，获得美观的着色图形。
[0043] 典型的实施例如下：
[0044] (1)对激光扫描着色图形进行矢量化处理和填充处理，得到若干条矢量化的搭接填充线条；本实施例中激光扫描着色图形为矩形框，矢量化处理后组成矩形框的4条边线宽W=1mm，激光束光斑直径D=0.05mm，K=20％，计算出N=W／(D*(1-K))=25，即将矩形框的每条边线都变换为25条窄线条的搭接填充组合。
[0045] (2)将铝合金工件的表面进行脱脂、除油和清洗处理；
[0046] (3)将清洗后的铝合金工件置于预先配制好的着色溶液内；其中，铝合金工件的牌号为LY11，着色溶液为无机着色液(主要成分亚铁氰化钾，浓度10-50克／升，蓝色或浅蓝色)，着色液面距工件表面的距离为1mm，着色深度为0.2mm。
[0047] (4)采用激光器输出脉冲激光束，聚焦于工件表面，按照步骤(1)得到的矢量化的搭接填充线条进行激光扫描。其中，激光器的激光扫描参数为：波长1064nm，脉冲重复频率10KHz，单脉冲能量50mJ，扫描速度1mm／s。
[0048] (5)扫描完成后，清洗工件，得到着色后的铝合金工件，其着色区域与未着色区域的微观形貌对比照片如图3所示(左边为着色区域，右边为未着色区域)，着色区域在高放大倍数下的微观形貌照片如图4所示，可见表面存在很多吸附颜料粒子的微细孔洞。
[0049] (6)对工件表面进行打磨处理，去掉激光扫描着色图形的表面残渣，获得美观的着色图形。