本文介紹了激光在不銹鋼表面耐腐蝕黑色標記的應(yīng)用，概括講述了不同激光器打黑原理，并重點對激光在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用進行介紹。

不銹鋼加工需求

激光打標的優(yōu)勢

不銹鋼是指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼，又稱不銹耐酸鋼。實際應(yīng)用中，常將耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。因具備焊接性、耐熱性、耐腐蝕性等特性，不銹鋼應(yīng)用極廣泛，其中又因不銹鋼便于清水及化學(xué)試劑清洗、不易滋生細菌，所以最適用于醫(yī)院或其它對衛(wèi)生條件具備特殊要求的領(lǐng)域，如：食品加工、餐飲、釀造、化工等。

在實際使用中，為對不銹鋼表面進行信息標識，尤其是黑色標識的需求也非常旺盛。傳統(tǒng)噴漆和絲印的方式，長時間使用會脫漆和脫膜；熱轉(zhuǎn)印方式標記一段時間后會變色；化學(xué)藥水蝕刻和鋼印標記達不到黑色效果并存在其他問題。激光打標為非接觸式加工，對加工材料無損害，具備無毒、高環(huán)保、標記內(nèi)容靈活、永久標記等特點，尤其在醫(yī)療器械行業(yè)中具備先天優(yōu)勢。

激光黑色標記的耐腐蝕性

皮秒激光 OR 納秒激光

在醫(yī)療器械行業(yè)中，耐腐蝕性是一個重要的指標，測試耐腐蝕性的一般操作方法是將鐳雕的金屬放入一定濃度鹽霧環(huán)境一定的時間后，取出放大觀測鐳雕區(qū)域的情況，在經(jīng)過耐腐蝕測試后，可能會出現(xiàn)印記脫落或是激光標記區(qū)域生銹的問題。但是通過激光器的選型、工藝參數(shù)的調(diào)整，可達到激光黑色標記耐腐蝕的最佳效果。

常見的不銹鋼呈現(xiàn)為銀白色，通過激光標記而著色的不銹鋼可保持原有的良好性能，使它的用途更廣。在激光打標中，納秒激光和超快激光打黑原理不同。納秒激光打標一般生成包括黑色在內(nèi)的有顏色的氧化物，皮秒激光則是由于生成了納米結(jié)構(gòu)不反射光形成視覺上的黑色效果。

在不銹鋼激光打彩的實際應(yīng)用中，彩色打標效果調(diào)試較難，通過調(diào)節(jié)頻率、脈寬、離焦量等可生成黑色等不同的顏色，在參數(shù)設(shè)置一定的情況下，隨著激光器、振鏡和場鏡等的更換，呈現(xiàn)出來的顏色也會出現(xiàn)差異。

一般的納秒激光器打黑標記后生成黑色氧化物層，熱效應(yīng)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，氧化層具有易脆性，如圖1納秒激光打標樣品圖，放大顯示出氧化層的裂紋狀態(tài)，這些裂紋使標記在鹽霧過程中會褪色或者銹蝕。

圖1 納秒激光打標樣品及局部放大圖

使用皮秒激光脈沖打標會在表面上留下充足的鉻（大約 20 個左右的原子層），將氧化膜替換為鉻，從而保持了耐腐蝕性，例如以亞鉻酸鹽或鉻鐵尖晶石的形式存在。因此即使經(jīng)過多次、長時間的腐蝕測試，黑色標記也不會顯示出由于腐蝕引起的損傷，并且保持清晰可見；其次，標記完成以后形成精細的、周期性均勻的波紋結(jié)構(gòu)，使用掃描電子顯微鏡可觀測到，這些納米結(jié)構(gòu)呈最小化，通過“光阱效應(yīng)”直接反射并散射了光，從而呈現(xiàn)一種啞光黑色。

如圖2皮秒激光器黑色打標樣品圖，放大特寫圖顯示了激光打標結(jié)構(gòu)具有周期、精細、均勻的形態(tài)，具有“光阱”特性。

圖2 皮秒激光打標樣品及局部放大圖

納秒激光器打黑窗口較窄，部分區(qū)域打標顏色呈現(xiàn)非黑色效果，鹽霧實驗前參數(shù)組合在300系列不銹鋼上打標效果如下圖3所示：

圖3 納秒激光器打黑鹽霧實驗前

在以上鹽霧環(huán)境下進行鹽霧試驗2小時后，部分打標區(qū)域出現(xiàn)點狀腐蝕如圖4所示：

皮秒激光器打黑窗口較寬，打黑效果較好，鹽霧實驗前參數(shù)組合在300系列不銹鋼上打標效果如圖5所示：

圖5 皮秒打黑鹽霧實驗前

皮秒激光打標鹽霧實驗9小時后，打標區(qū)域部分仍然呈現(xiàn)比較好的狀態(tài)，和鹽霧實驗前無明細差異，如圖6所示：

圖6 皮秒激光打黑鹽霧實驗后

醫(yī)療行業(yè)不同場景對不同系列的不銹鋼都有應(yīng)用，從測試400系列和600系列打標后鹽霧試驗測試情況看，400系列和600系列不銹鋼材料鹽霧后，未打標區(qū)域都已經(jīng)銹跡斑斑，說明兩種材料本身的耐腐蝕性能都比較差；通過鹽霧試驗也可以發(fā)現(xiàn)，激光能量輸出生成黑色氧化物的區(qū)塊，耐腐蝕性能優(yōu)于未打標區(qū)域，激光使得不銹鋼表面形成氧化膜，保護內(nèi)部金屬不被腐蝕；為了提高400和600系列不銹鋼材料本身的耐腐蝕性，一般需經(jīng)過真空失效熱處理→達到要求硬度→酸洗去氧化皮→磨平表面處理至規(guī)定Ra→清洗→噴砂→鈍化等一系列處理后使材料本體實現(xiàn)耐腐蝕；200系列和300系列不銹鋼本體耐腐蝕性能較佳，一般不做前處理可直接進行激光標記。

醫(yī)療器械“智造”之解

皮秒脈沖激光標記技術(shù)

自美國和歐盟引入了 UDI（Unique Device Identification）標準，醫(yī)療行業(yè)在其產(chǎn)品可追溯性方面面臨更高的要求。對于醫(yī)療行業(yè)外科醫(yī)用不銹鋼材料而言，這意味著要創(chuàng)建清晰易讀而且耐腐蝕的標記，這種標記最好呈現(xiàn)黑色效果，標記完成后即使經(jīng)過多次清潔與消毒循環(huán)之后也可以在后續(xù)的日常臨床工作中保持其高質(zhì)量水平。

由上面實驗可以看出，使用皮秒脈沖激光進行黑色標記非常適合加工黑色啞光、耐腐蝕的標記，這種標記將在臨床使用中長時間保持穩(wěn)定清晰。

皮秒激光在醫(yī)療手術(shù)鉗上和消融針上打黑色標記如圖7所示：

圖7 皮秒激光在醫(yī)療器械上的黑色標記

在不銹鋼黑色標記要求較高且工藝窗口需求較大的應(yīng)用場景中，激光工藝已逐步取代傳統(tǒng)標記工藝，為取得更好的質(zhì)量保證，在多種條件測試下，使用皮秒脈沖激光進行不銹鋼表面黑色標記是目前市場上的較佳選擇，UDI標識雖已經(jīng)是較成熟的應(yīng)用，但在需求不斷提升的未來，相信激光技術(shù)憑借其特殊性能和高效性將在醫(yī)療行業(yè)中有著更廣泛的發(fā)展應(yīng)用。

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