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

不銹鋼加工需求

激光打標(biāo)的優(yōu)勢(shì)

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(shí)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(xì)菌，所以最適用于醫(yī)院或其它對(duì)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(shí)際使用中，為對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)，尤其是黑色標(biāo)識(shí)的需求也非常旺盛。傳統(tǒng)噴漆和絲印的方式，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)脫漆和脫膜；熱轉(zhuǎn)印方式標(biāo)記一段時(shí)間后會(huì)變色；化學(xué)藥水蝕刻和鋼印標(biāo)記達(dá)不到黑色效果并存在其他問(wèn)題。激光打標(biāo)為非接觸式加工，對(duì)加工材料無(wú)損害，具備無(wú)毒、高環(huán)保、標(biāo)記內(nèi)容靈活、永久標(biāo)記等特點(diǎn)，尤其在醫(yī)療器械行業(yè)中具備先天優(yōu)勢(shì)。

激光黑色標(biāo)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(gè)重要的指標(biāo)，測(cè)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(shí)間后，取出放大觀測(cè)鐳雕區(qū)域的情況，在經(jīng)過(guò)耐腐蝕測(cè)試后，可能會(huì)出現(xiàn)印記脫落或是激光標(biāo)記區(qū)域生銹的問(wèn)題。但是通過(guò)激光器的選型、工藝參數(shù)的調(diào)整，可達(dá)到激光黑色標(biāo)記耐腐蝕的最佳效果。

常見(jiàn)的不銹鋼呈現(xiàn)為銀白色，通過(guò)激光標(biāo)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(biāo)中，納秒激光和超快激光打黑原理不同。納秒激光打標(biāo)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(jué)上的黑色效果。

在不銹鋼激光打彩的實(shí)際應(yīng)用中，彩色打標(biāo)效果調(diào)試較難，通過(guò)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(chǎng)鏡等的更換，呈現(xiàn)出來(lái)的顏色也會(huì)出現(xiàn)差異。

一般的納秒激光器打黑標(biāo)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(biāo)樣品圖，放大顯示出氧化層的裂紋狀態(tài)，這些裂紋使標(biāo)記在鹽霧過(guò)程中會(huì)褪色或者銹蝕。

圖1 納秒激光打標(biāo)樣品及局部放大圖

使用皮秒激光脈沖打標(biāo)會(huì)在表面上留下充足的鉻（大約 20 個(gè)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(guò)多次、長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕測(cè)試，黑色標(biāo)記也不會(huì)顯示出由于腐蝕引起的損傷，并且保持清晰可見(jiàn)；其次，標(biāo)記完成以后形成精細(xì)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(cè)到，這些納米結(jié)構(gòu)呈最小化，通過(guò)“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(biāo)樣品圖，放大特寫(xiě)圖顯示了激光打標(biāo)結(jié)構(gòu)具有周期、精細(xì)、均勻的形態(tài)，具有“光阱”特性。

圖2 皮秒激光打標(biāo)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(biāo)顏色呈現(xiàn)非黑色效果，鹽霧實(shí)驗(yàn)前參數(shù)組合在300系列不銹鋼上打標(biāo)效果如下圖3所示：

圖3 納秒激光器打黑鹽霧實(shí)驗(yàn)前

在以上鹽霧環(huán)境下進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)2小時(shí)后，部分打標(biāo)區(qū)域出現(xiàn)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)前參數(shù)組合在300系列不銹鋼上打標(biāo)效果如圖5所示：

圖5 皮秒打黑鹽霧實(shí)驗(yàn)前

皮秒激光打標(biāo)鹽霧實(shí)驗(yàn)9小時(shí)后，打標(biāo)區(qū)域部分仍然呈現(xiàn)比較好的狀態(tài)，和鹽霧實(shí)驗(yàn)前無(wú)明細(xì)差異，如圖6所示：

圖6 皮秒激光打黑鹽霧實(shí)驗(yàn)后

醫(yī)療行業(yè)不同場(chǎng)景對(duì)不同系列的不銹鋼都有應(yīng)用，從測(cè)試400系列和600系列打標(biāo)后鹽霧試驗(yàn)測(cè)試情況看，400系列和600系列不銹鋼材料鹽霧后，未打標(biāo)區(qū)域都已經(jīng)銹跡斑斑，說(shuō)明兩種材料本身的耐腐蝕性能都比較差；通過(guò)鹽霧試驗(yàn)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(biāo)區(qū)域，激光使得不銹鋼表面形成氧化膜，保護(hù)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(guò)真空失效熱處理→達(dá)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(shí)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(jìn)行激光標(biāo)記。

醫(yī)療器械“智造”之解

皮秒脈沖激光標(biāo)記技術(shù)

自美國(guó)和歐盟引入了 UDI（Unique Device Identification）標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)于醫(yī)療行業(yè)外科醫(yī)用不銹鋼材料而言，這意味著要?jiǎng)?chuàng)建清晰易讀而且耐腐蝕的標(biāo)記，這種標(biāo)記最好呈現(xiàn)黑色效果，標(biāo)記完成后即使經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)可以看出，使用皮秒脈沖激光進(jìn)行黑色標(biāo)記非常適合加工黑色啞光、耐腐蝕的標(biāo)記，這種標(biāo)記將在臨床使用中長(zhǎng)時(shí)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(biāo)記如圖7所示：

圖7 皮秒激光在醫(yī)療器械上的黑色標(biāo)記

在不銹鋼黑色標(biāo)記要求較高且工藝窗口需求較大的應(yīng)用場(chǎng)景中，激光工藝已逐步取代傳統(tǒng)標(biāo)記工藝，為取得更好的質(zhì)量保證，在多種條件測(cè)試下，使用皮秒脈沖激光進(jìn)行不銹鋼表面黑色標(biāo)記是目前市場(chǎng)上的較佳選擇，UDI標(biāo)識(shí)雖已經(jīng)是較成熟的應(yīng)用，但在需求不斷提升的未來(lái)，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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