一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法与流程

本发明涉及一种基于铝合金表面激光诱导基体氧化与标刻区域X射线荧光(X-ray Fluorescence，即XRF)光谱的微小标识方法，以实现对微小铝合金零件的唯一标识与批次追踪管理，属于工业标识领域。

背景技术：

激光直接标刻技术可用较低成本在各种材料表面产生永久、高对比度的优质标记，比如金属、玻璃、陶瓷、塑料或木材等。目前，激光直接标刻技术已经广泛应用于工业标识领域，通过与Data Matrix码(以下简称DM码)技术的结合用于产品商标认证和原始生产、性能与维修历史的追溯。然而在实际应用中，对于小零件(可直接标识面积小于2*2mm²)的标识往往因为标刻工艺欠缺、参数选取繁杂以及识读定位、数据提取困难等问题而难以实现，给小零件的直接标识带了极大挑战。目前在制作工艺方面NASA能标刻最小2*2mm²的DM码，西北工业大学在刀具管理与零件标识追踪方面进行了深入研究并实现了最小1.5*1.5mm²的DM码的标刻识读，仍难以满足大量小零件直接标识的应用需求。因此采用新的标识工艺方法对微小零件进行唯一标识与追踪是非常必要的。

现有的微小唯一标识方法主要包括：在零件表面激光直接标刻微型Data Matrix码(以下简称微型码)并对微型码进行复杂背景的定位识读；采用精密微铣削或铸造的方法在零件表面形成所需的唯一标识；在零件表面涂覆或内部镶嵌X射线荧光材料并将其对应的X荧光光谱作为零件的唯一标识，根据目前的研究，这些方法在应用时具有下列缺陷：

1、激光标刻微型码的方法，一方面在条码尺寸小于1.5*1.5mm²时，微型码标刻容易出现模块过烧蚀严重、边缘模糊等问题而导致无法识读，另一方面微型码识读需要在复杂背景下对其精确定位，模块数据提取困难，对识读算法要求很高，目前尚无成熟的算法。

2、微铣削或铸造的方法，在一定程度上可以实现微小零件的唯一标识，但标识的对比度较难得到保障，识读较为困难；其次，其设计与制作工艺较为复杂，标记质量对微型码尺寸变化较为敏感，适应性较差。

3、涂覆或内嵌X射线荧光材料的方法，可以较为稳定的实现微小标识。然而X射线荧光材料的选择及成分配比控制较为困难，整个工艺过程较为复杂，经济性不高；其次涂覆或内嵌X射线荧光材料在零件表面或内部产生多余物，往往会影响零件的性能或表面要求，且涂覆材料的尺寸较难精确控制。

现有方法上述缺陷，加上零件加工过程中的技术要求以及零件的使用性能的要求，对微小零件的唯一标识与追踪管理提出了难题，如何保证在零件表面形成小于2*2mm²的唯一标识，并保证其在生产与工作环境中稳定可靠的识读是实现微小零件不间断信息采集、实时批次追踪管理的关键。

实际应用中为了实现微小零件的唯一标识，往往采用激光标刻微型码并采用光学放大镜进行人工粗定位再采用计算机自动识别的方法，这种方法在实际应用中存在以下弊端：其一，该方法因人工粗定位需要丰富经验，稳定性不高，对识读结果干扰较大；其二，该方法难以实现尺寸小于1.5*1.5mm²的唯一标识，其应用范围受限较大；其三，该方法无法实现与计算机的无缝连接，自动化程度不高。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法，该方法是基于铝合金表面激光诱导基体氧化与标刻区域X射线荧光光谱的微小标识方法，其目的是从提高铝合金零件微小标识识读稳定性与简化微小标识制作工艺出发，基于激光诱导基体材料氧化的原理，通过激光参量控制实现铝合金标刻区域特定的、不同程度的氧化，从而制作一种具有不同氧化测度(含氧质量分数)的微小标识(标识尺寸≥0.5*0.5mm²且≤2*2mm²)，并基于XRF(X射线荧光)原理对该标识进行识读，从而实现微小铝合金零件在生产过程中不间断信息采集与批次追踪。

技术方案

本发明就解决其技术问题所采用的技术方案整体思路(如图1所示)是：在大气环境下利用光纤激光器(本发明采用中国大族激光YLP-D10)，并通过合理的标刻工艺参数设置，在铝合金表面上制备一个具有特定氧化测度的微小模块(模块尺寸≥0.5*0.5mm²且≤2*2mm²)，该模块氧化测度可从0％到42％不等分布，然后用X射线照射该模块并通过XRF探测设备获取该模块释放出来的次级XRF光谱，最终建立光谱与DM码之间的映射关系(如图2所示)，从而实现微小铝合金零件的唯一标识。

本发明的技术方案为：

所述一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：基材准备：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面打磨，使其表面粗糙度符合要求；

步骤1.2：对步骤1.1处理后的基材清洗并烘干；

步骤2：制备特定氧化测度模块，包括以下子步骤：

步骤2.1：将步骤1准备好的基材放置在打标机工作台上，且打磨面朝上为激光加工面，调焦使基材打磨面处于激光的焦平面上；

步骤2.2：在基材打磨面上，采用矢量填充模式标刻模块，其中标刻模块预期含氧质量分数通过标刻参数控制，所述标刻参数为激光功率、Q频率、标刻速度和线填充间距；

步骤3：采用能谱分析获取标刻模块XRF谱线与标刻模块的成分信息；包括平均氧含量、平均铝含量和其他元素平均含量；

步骤4：对实际获得的XRF谱线与成分信息进行细分匹配，并映射到对应的DM码，包括以下子步骤：

步骤4.1：根据获得的标刻模块平均含氧量Oact，以及判断公式(i-1)*3％≤Oact≤i*3％，确定氧化测度细分区间i；

步骤4.2：确定码字为OxAlyElsz，其中x，y，z均为整数变量，x＝(i-1)*3+2，z由步骤3中获得的其他元素平均含量按四舍五入取整得到，y＝100-x-z；

步骤4.3：根据步骤4.2确定的码字，采用ECC200纠错方法，将码字转化为对应的DM码。

进一步的优选方案，所述一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法，其特征在于：步骤1基材准备的具体步骤为：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面用金刚砂纸逐级打磨，保证其表面粗糙度Ra≤3.2；

步骤1.2：对经过步骤1.1处理后的基材在丙酮中，进行10min的超声波清洗，去除化学残留液，然后酒精漂洗，最后用空气刷将基材吹干。

进一步的优选方案，所述一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法，其特征在于：步骤2.2中标刻模块尺寸≥0.5*0.5mm²且≤2*2mm²。

进一步的优选方案，所述一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法，其特征在于：步骤2中，标刻参数与标刻模块预期含氧质量分数对应关系如下表所示：

进一步的优选方案，所述一种基于铝合金氧化测度的激光微小标识方法，其特征在于：步骤3中分析区域不小于标刻模块整体面积的70％。

有益效果

本发明的有益效果具体如下：

1)改变现有的表面涂覆或内部镶嵌X射线荧光材料的微小标识方法，采用在大气环境下进行微小模块的激光标刻，再获取模块的XFR谱线并映射到DM码的方法。经过发明人研究，激光标刻工艺参数的控制选择是获取不同氧化测度模块的关键，因为不同的激光标刻工艺参数会使标刻区域的温升发生不同的变化，从而产生不一样或不同程度的物理化学反应，最终使基体实现不同程度的、特定的、可预测的氧化，操作可重复性强。其次，通过激光加工形成的微小标识模块的氧化层耐久性强，化学成分在自然环境中非常稳定，对应的XRF谱线也不会随时间发生较大变化，识读结果稳定可靠。最后，因为XRF谱线可从很小(小至0.1*0.1mm²)的标刻区域获得，且模块标刻尺寸对谱线影响很小，结果在0.5*0.5mm²至2*2mm²范围内表现稳定。所以，该方法可制作可识读的最小尺寸到0.5*0.5mm²的激光微标识，且标识识读稳定性高、结果可靠性强。

2)由于该方法光谱与DM码映射关系为一一映射，且模块的氧化测度细分区间宽度为3％，其容差范围远远大于XRF谱线的重复测量精度，也远大材料各向异性或重复标刻所带了的误差，实测谱线与DM码映射关系稳定可靠，方法可复用性高。

3)该方法是在基体表面直接进行激光加工，无需预制涂层，加工精度高，模块尺寸可精确控制，相对其他方法，过程简单、操作性强，标识制作效率大大提高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明技术方案的整体思路；

图2是本发明光谱与DM码之间的映射关系；

图3实例1中获取的微标识的XRF谱线；

图4实例1中XRF谱线映射得到的DM码；

图5实例2中获取的微标识的XRF谱线；

图6实例2中XRF谱线映射得到的DM码；

图7实例3中获取的微标识的XRF谱线；

图8实例3中XRF谱线映射得到的DM码；

图9实例4中获取的微标识的XRF谱线；

图10实例4中XRF谱线映射得到的DM码。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是从提高铝合金零件微小标识识读稳定性与简化微小标识制作工艺出发，基于激光诱导基体材料氧化的原理，通过激光参量控制实现铝合金标刻区域特定的、不同程度的氧化，从而制作一种具有不同氧化测度(含氧质量分数)的微小标识(标识尺寸≥0.5*0.5mm²且≤2*2mm²)，并基于XRF(X射线荧光)原理对该标识进行识读，从而实现微小铝合金零件在生产过程中不间断信息采集与批次追踪。

本发明就解决其技术问题所采用的技术方案整体思路(如图1所示)是：在大气环境下利用光纤激光器(本发明采用中国大族激光YLP-D10)，并通过合理的标刻工艺参数设置，在铝合金表面上制备一个具有特定氧化测度的微小模块(模块尺寸≥0.5*0.5mm²且≤2*2mm²)，该模块氧化测度可从0％到42％不等分布，然后用X射线照射该模块并通过XRF探测设备获取该模块释放出来的次级XRF光谱，最终建立光谱与DM码之间的映射关系(如图2所示)，从而实现微小铝合金零件的唯一标识。

方法具体包括以下步骤：

步骤1：基材准备：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面用金刚砂纸逐级打磨，保证其表面粗糙度Ra≤3.2；

步骤1.2：对经过步骤1.1处理后的基材在丙酮中，进行10min的超声波清洗，去除化学残留液，然后酒精漂洗，最后用空气刷将基材吹干。

步骤2：制备特定氧化测度模块，包括以下子步骤：

步骤2.1：标刻前准备。采用中国大族YLP-D10型号的光纤激光打标机，将步骤1准备好的基材放置在打标机工作台上，且打磨面朝上为激光加工面，根据基材厚度进行调焦，使基材打磨面处于激光的焦平面。

步骤2.2：在基材打磨面中心，采用矢量填充模式标刻尺寸≥0.5*0.5mm²且≤2*2mm²的矩形模块，其中标刻模块预期含氧质量分数通过标刻参数控制，所述标刻参数为激光功率、Q频率、标刻速度和线填充间距；标刻参数与标刻模块预期含氧质量分数对应关系如下表所示：

步骤3：采用能谱分析获取标刻模块XRF谱线与标刻模块的成分信息；包括平均氧含量、平均铝含量和其他元素平均含量；分析区域不小于标刻模块整体面积的70％。

步骤4：对实际获得的XRF谱线与成分信息进行细分匹配，并映射到对应的DM码，包括以下子步骤：

步骤4.1：氧化测度细分。将获得的标刻模块平均含氧量Oact与预分的14个区间进行匹配，判断实测氧化测度落在哪个区间，根据判断公式(i-1)*3％≤Oact≤i*3％，确定氧化测度细分区间i，其中i为整数且i≤14，第i个区间含氧量为[(i-1)*3％，i*3％]。

步骤4.2：由于该方法应用于铝合金零件的标识识别，所以将第i个细分的码字设置为OxAlyElsz，其中x，y，z均为整数变量，Ox为对应的氧化测度，x＝(i-1)*3+2，Elsz对应其他元素的质量分数，z由步骤3中获得的其他元素平均含量按四舍五入取整得到，Aly对应含铝质量分数，y＝100-x-z。

步骤4.3：根据步骤4.2确定的码字，采用ECC200纠错方法，将码字转化为对应的DM码。

根据上述原理步骤，下面给出具体实施例：

实施例1：

本实施例选用牌号为LF6的铝合金板料作为基材，基材化学成分如下。O：0.32％，Al：93.08％，其他(Mg、Zn、Mn等)：6.6％。微标识模块尺寸为2*2mm²。中国大族YLP-D10光纤打标机为激光标刻设备。

步骤1：基材准备：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面用金刚砂纸逐级打磨，其表面粗糙度Ra＝3.2。

步骤1.2：清洗、烘干。对经过步骤1.1处理后的基材在丙酮中，进行10min的超声波清洗，去除化学残留液，然后酒精漂洗，最后用空气刷将基材吹干。

步骤2：特定氧化测度模块制备，主要包括以下子步骤：

步骤2.1：标刻前准备。将步骤1准备好的基材放置在打标机工作台上，且打磨面朝上为激光加工面，根据基材厚度进行调焦，使基材打磨面处于激光的焦平面。

步骤2.2：模块制备。在基材打磨面中心，采用矢量填充模式，标刻一个尺寸2*2mm²的正方形模块。激光标刻参数设置如下：功率＝9W、Q频率＝20KHz、标刻速度＝20mm/s、线填充间距＝0.01mm。

步骤3：获取模块XFR谱线。采用能谱分析的方法获取标刻模块XRF谱线与模块的成分信息，测得的XRF谱线如图3所示。实际分析区域为1.6*1.6mm²，且测得平均O含量为41.50％，平均Al含量为52.20％，其他元素平均含量6.30％，氧含量实测值与表1所示的预期含氧质量分数相符。

步骤4：谱线匹配与DM码映射。对实际获得的XRF谱线与成分信息进行细分匹配，并映射到对应的DM码。主要包括以下子步骤：

步骤4.1：氧化测度细分。将获得的XRF光谱和测得的模块含氧量与预分的14个区间进行匹配，判断实测氧化测度落在哪个区间,可知(14-1)*3％≤Oact＝41.5％≤14*3％，则落在第14个细分。

步骤4.2：码字分配。由于Ox为对应的氧化测度，x＝(14-1)*3+2＝41，z为基体其他元素含量四舍五入取整，z＝7，则y＝100-x-z＝100-41-7＝52，因此该细分对应的码字设置为“O41Al52Els7”。

步骤4.3：生成DM码。根据匹配结果确定谱线所对应的码字为“O41Al52Els7”，采用ECC200纠错方法，将码字转化为对应的DM码，如图4所示。

实施例2：

本实施例选用牌号为LF6的铝合金板料作为基材，基材化学成分如下。O：0.32％，Al：93.08％，其他(Mg、Zn、Mn等)：6.6％。微标识模块尺寸为2*2mm²。中国大族YLP-D10光纤打标机为激光标刻设备。

步骤1：基材准备：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面用金刚砂纸逐级打磨，其表面粗糙度Ra＝3.2。

步骤1.2：清洗、烘干。对经过步骤1.1处理后的基材在丙酮中，进行10min的超声波清洗，去除化学残留液，然后酒精漂洗，最后用空气刷将基材吹干。

步骤2：特定氧化测度模块制备，主要包括以下子步骤：

步骤2.1：标刻前准备。将步骤1准备好的基材放置在打标机工作台上，且打磨面朝上为激光加工面，根据基材厚度进行调焦，使基材打磨面处于激光的焦平面。

步骤2.2：模块制备。在基材打磨面中心，采用矢量填充模式，标刻一个尺寸2*2mm²的正方形模块。激光标刻参数设置如下：功率＝3.6W、Q频率＝20KHz、标刻速度＝400mm/s、线填充间距＝0.04mm。

步骤3：获取模块XFR谱线。采用能谱分析的方法获取标刻模块XRF谱线与模块的成分信息，测得的XRF谱线如图5所示。实际分析区域为1.8*1.8mm²，且测得平均O含量为8.94％，平均Al含量为84.26％，其他元素平均含量6.80％。氧含量实测值与表1所示的预期含氧质量分数相符。

步骤4：谱线匹配与DM码映射。对实际获得的XRF谱线与成分信息进行细分匹配，并映射到对应的DM码。主要包括以下子步骤：

步骤4.1：氧化测度细分。将获得的XRF光谱和测得的模块含氧量与预分的14个区间进行匹配，判断实测氧化测度落在哪个区间,可知(3-1)*3％≤Oact＝8.94％≤3*3％，则落在第3个细分。

步骤4.2：码字分配。由于Ox为对应的氧化测度，x＝(3-1)*3+2＝8，z为基体其他元素含量四舍五入取整，z＝7，则y＝100-x-z＝100-8-7＝85，因此该细分对应的码字设置为“O8Al85Els7”。

步骤4.3：生成DM码。根据匹配结果确定谱线所对应的码字为“O8Al85Els7”，采用ECC200纠错方法，将码字转化为对应的DM码，如图6所示。

实施例3：

本实施例选用牌号为LF6的铝合金板料作为基材，基材化学成分如下。O：0.32％，Al：93.08％，其他(Mg、Zn、Cu等)：6.6％。微标识模块尺寸为0.5*0.5mm²。中国大族YLP-D10光纤打标机为激光标刻设备。

步骤1：基材准备：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面用金刚砂纸逐级打磨，其表面粗糙度Ra＝1.6。

步骤1.2：清洗、烘干。对经过步骤1.1处理后的基材在丙酮中，进行10min的超声波清洗，去除化学残留液，然后酒精漂洗，最后用空气刷将基材吹干。

步骤2：特定氧化测度模块制备，主要包括以下子步骤：

步骤2.1：标刻前准备。将步骤1准备好的基材放置在打标机工作台上，且打磨面朝上为激光加工面，根据基材厚度进行调焦，使基材打磨面处于激光的焦平面。

步骤2.2：模块制备。在基材打磨面中心，采用矢量填充模式，标刻一个尺寸0.5*0.5mm²的正方形模块。激光标刻参数设置如下：功率＝6.6W、Q频率＝20KHz、标刻速度＝400mm/s、线填充间距＝0.04mm。

步骤3：获取模块XFR谱线。采用能谱分析的方法获取标刻模块XRF谱线与模块的成分信息，测得的XRF谱线如图7所示。实际分析区域为0.4*0.4mm²，且测得平均O含量为13.02％，平均Al含量为80.03％，其他元素平均含量6.95％。氧含量实测值与表1所示的预期含氧质量分数相符。

步骤4：谱线匹配与DM码映射。对实际获得的XRF谱线与成分信息进行细分匹配，并映射到对应的DM码。主要包括以下子步骤：

步骤4.1：氧化测度细分。将获得的XRF光谱和测得的模块含氧量与预分的14个区间进行匹配，判断实测氧化测度落在哪个区间,可知(5-1)*3％≤Oact＝13.02％≤5*3％，则落在第5个细分。

步骤4.2：码字分配。由于Ox为对应的氧化测度，x＝(5-1)*3+2＝14，z为基体其他元素含量四舍五入取整，z＝7，则y＝100-x-z＝100-14-7＝79，因此该细分对应的码字设置为“O14Al79Els7”。

步骤4.3：生成DM码。根据匹配结果确定谱线所对应的码字为“O14Al79Els7”，采用ECC200纠错方法，将码字转化为对应的DM码，如图8所示。

实施例4：

本实施例选用牌号为LF6的铝合金板料作为基材，基材化学成分如下。O：0.32％，Al：93.08％，其他(Mg、Zn、Mn等)：6.6％。微标识模块尺寸为0.5*0.5mm²。中国大族YLP-D10光纤打标机为激光标刻设备。

步骤1：基材准备：

步骤1.1：准备待标识的铝合金板料，对基材待标识面用金刚砂纸逐级打磨，其表面粗糙度Ra＝1.6。

步骤1.2：清洗、烘干。对经过步骤1.1处理后的基材在丙酮中，进行10min的超声波清洗，去除化学残留液，然后酒精漂洗，最后用空气刷将基材吹干。

步骤2：特定氧化测度模块制备，主要包括以下子步骤：

步骤2.1：标刻前准备。将步骤1准备好的基材放置在打标机工作台上，且打磨面朝上为激光加工面，根据基材厚度进行调焦，使基材打磨面处于激光的焦平面。

步骤2.2：模块制备。在基材打磨面中心，采用矢量填充模式，标刻一个尺寸0.5*0.5mm²的正方形模块。激光标刻参数设置如下：功率＝9W、Q频率＝20KHz、标刻速度＝20mm/s、线填充间距＝0.028mm。

步骤3：获取模块XFR谱线。采用能谱分析的方法获取标刻模块XRF谱线与模块的成分信息，测得的XRF谱线如图9所示。实际分析区域为0.38*0.38mm²，且测得平均O含量为31.86％，平均Al含量为61.27％，其他元素平均含量6.87％。氧含量实测值与表1所示的预期含氧质量分数相符。

步骤4：谱线匹配与DM码映射。对实际获得的XRF谱线与成分信息进行细分匹配，并映射到对应的DM码。主要包括以下子步骤：

步骤4.1：氧化测度细分。将获得的XRF光谱和测得的模块含氧量与预分的14个区间进行匹配，判断实测氧化测度落在哪个区间,可知(11-1)*3％≤Oact＝31.86％≤11*3％，则落在第11个细分。

步骤4.2：码字分配。由于Ox为对应的氧化测度，x＝(11-1)*3+2＝32，z为基体其他元素含量四舍五入取整，z＝7，则y＝100-x-z＝100-32-7＝61，因此该细分对应的码字设置为“O32Al61Els7”。

步骤4.3：生成DM码。根据匹配结果确定谱线所对应的码字为“O32Al61Els7”，采用ECC200纠错方法，将码字转化为对应的DM码，如图10所示。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。