Parameter survey of laser color marking with flexible fiber laser

Abstract

Laser marking is widely used in producing legible characters for product identification and traceability. It is a non-contact process without a need of any chemicals. Recent development of fiber lasers offers new possibilities for laser colour marking. Decorative markings on different consumer products are on their way once the marking process is fully understood and controlled.

Laser colour marking is basically a thermal process that employs a high intensity beam of focused laser light to the metal surface. The laser beam acts as a localized heating source that promotes the formation of semi-transparent oxide layers of different thicknesses and morphologies. The portion of light that gets reflected from the oxide layer determines the colour.

The fiber laser that was used in this study had several adjustable parameters. Every parameter was tested one by one. Substrate materials were titanium and stainless steel AISI 304L. Titanium was able to produce colours blue, purple and gold. Steel delivered blue, gold, red and green. The colours became stronger when the pulse energy and the peak power were increased until their critical values were obtained. That is when the surface gets evaporated and marking becomes engraving. To avoid the engraving average output power and pulse length had to be kept low enough and pulse frequency high enough. That way the conditions for the marking process were suitable. Oxide layer growth required certain heat energy load which can be controlled with the average output power, marking speed and hatch. Too low energy loads only polish the surface as compared to too high loads which lead to dark marks.

Having a wide parameter range with separately adjustable values offers lots of varieties for the whole marking process thus providing better results.

Lasermerkkaus on laajalti käytetty menetelmä helpottamaan eri tuotteiden tunnistusta ja paikannusta. Merkkauksessa ei kosketeta kappaleen pintaa, eikä siinä käytetä kemikaaleja. Kuitulaserien kehitys on tuonut laservärimerkkaukseen uusia mahdollisuuksia. Koristeelliset merkkaukset tekevät tuloaan arkipäiväisiin sovelluksiin kunhan itse merkkausprosessi saadaan täysin ohjatuksi.

Laservärimerkkaus on terminen prosessi, jossa käytetään suuren intensiteetin lasersädettä muokkaamaan merkattavaa pintaa. Lasersäteen avulla kappaleen pinnalle saadaan kasvatetuksi osittain läpinäkyvä oksidikerros. Oksidikerroksen heijastamat valonsäteet muodostavat merkinnälle sen ominaisen värin.

Tässä työssä käytettiin kuitulaseria, jossa oli erinomaiset mahdollisuudet säteen ominaisuuksien säätelyyn. Parametrien muutokset testattiin yksitellen merkattavien materiaalien ollessa titaani sekä ruostumaton teräs AlSI 304L. Titaaniin saatiin merkattua kolme varia: sininen, kulta ja purppura. Teräs puolestaan tuotti sinisen, kullan, punaisen ja vihreän. Värit voimistuivat pulssienergian ja huipputehon kasvaessa, kunnes tarpeeksi suurilla arvoilla pinta alkoi kaivertua. Kaiverrus saatiin estettyä pitämällä laserin teho ja pulssin pituus pieninä sekä pulssin taajuus suurena. Oksidikerroksen kasvu vaati tarkan lämmöntuonnin kappaleen pinnalle. Sitä säädeltiin laserin teholla, merkkausnopeudella ja merkkausviivojen etäisyyksien vaihtelulla. Liian pienet lämmöntuonnit eivät muodostaneet värejä, vaan ainoastaan kiillottivat pintaa. Liian suuret lämmöntuonnit puolestaan johtivat turhan tummaan jälkeen.

Useat laajalti säädeltävät ja yksitellen muutettavat parametrit tuovat laservärimerkkaukseen monia uusia vaihtoehtoja, joilla parantaa lopputulosta.