鈦合金表面電化學(xué)標(biāo)刻二維條碼工藝參數(shù)研究

田琦楠，何衛(wèi)平，雷 蕾，李夏霜

（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710072）

直接標(biāo)識技術(shù)（Direct Part Marking，DPM）是指直接在物體表面標(biāo)識可機(jī)器識別的代碼的一種標(biāo)識技術(shù)，主要包括激光標(biāo)刻、機(jī)械點(diǎn)撞擊、電化學(xué)標(biāo)刻及噴碼標(biāo)識。其中，電化學(xué)標(biāo)刻是一種常用的直接零件標(biāo)識方法，它通過在待標(biāo)識零件的表面與浸滿電解液的襯底之間放置蠟紙模板，并將其通過一個低電壓場來得到電化學(xué)腐蝕后進(jìn)行零件標(biāo)識。電化學(xué)標(biāo)刻與激光標(biāo)刻相比，成本低，速度快，不會產(chǎn)生裂紋；與噴墨標(biāo)刻相比，質(zhì)量好，標(biāo)記牢固且永不脫落；與機(jī)械點(diǎn)撞擊相比，不受金屬硬度限制，都能輕松打標(biāo)，且不會破壞材料表面平整度，無殘余應(yīng)力；與傳統(tǒng)電腐蝕相比，電化學(xué)標(biāo)刻采用了非線性電解液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的酸性電解液，環(huán)境污染小，清晰度大大提高，更不會因?yàn)殡娊庖阂痄P蝕。

目前，如何通過調(diào)節(jié)電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)，以求獲得高質(zhì)量的二維條碼，尚無成熟有效的方法，操作者只能靠經(jīng)驗(yàn)選取工藝參數(shù)，無法保證標(biāo)刻質(zhì)量；而條碼質(zhì)量將直接影響識讀的快速性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響生產(chǎn)管理效率。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在電化學(xué)標(biāo)刻領(lǐng)域開展了大量研究，如脈沖電壓、通電時間對電化學(xué)蝕刻深度的影響[1-2]，初始圖案尺寸、電流密度和蝕刻時間對最終圖案的影響[3]。但目前關(guān)于電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)影響二維條碼質(zhì)量方面的研究還未見有文獻(xiàn)報道。

由于影響電化學(xué)標(biāo)刻質(zhì)量的因素較多，為了確定優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得高質(zhì)量的零件二維條碼，本文通過正交試驗(yàn)，研究了電化學(xué)標(biāo)刻的反應(yīng)規(guī)律，著重分析了通電方式、通電時間、輸出電壓等標(biāo)刻工藝參數(shù)及其交互作用對電化學(xué)標(biāo)刻零件二維條碼質(zhì)量的影響趨勢及顯著性程度。

1 試驗(yàn)材料、裝置及方法

本文選取TC4 為試驗(yàn)材料，根據(jù)Data Matrix 碼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，試驗(yàn)選取DM 碼的內(nèi)容為“30Q324343430794＜OQQ”，尺寸為12 mm×12 mm。試驗(yàn)采用的設(shè)備包括UMS ME3000T 電化學(xué)標(biāo)刻機(jī)、MICROSCAN UID DPM 二維條碼校驗(yàn)儀和蔡司Axio Lab.A 1 正立數(shù)字材料顯微鏡。研究選擇蝕刻電壓、蝕刻時間、氧化電壓及氧化時間作為試驗(yàn)影響因素，根據(jù)HB 9132—2007[5]標(biāo)準(zhǔn)選取對比度、X向打印增長和Y 向打印增長作為條碼質(zhì)量的評價指標(biāo)。由于試驗(yàn)影響因素較多，參數(shù)變化范圍大，且各因素間存在交互作用，如按傳統(tǒng)方法進(jìn)行試驗(yàn)，工作量將非常龐大?？紤]到電化學(xué)標(biāo)刻的特點(diǎn)，采用正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

由單因素試驗(yàn)確定工藝參數(shù)范圍，因素水平見表1。根據(jù)水平數(shù)采用L16（215）正交試驗(yàn)方案，其余所有工藝參數(shù)設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)值，且固定不變。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 正交工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

按表1 設(shè)置工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，為使試驗(yàn)過程中因環(huán)境不可控因素導(dǎo)致的誤差最小，本研究遵循重復(fù)試驗(yàn)原則，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值以減小誤差。試驗(yàn)結(jié)果見表2，其中，試驗(yàn)因素交互項(xiàng)看作新的因素，無具體參數(shù)，只用作數(shù)據(jù)分析，在實(shí)驗(yàn)過程中不予考慮。R對比度、RX向、RY向分別表示同一因素各水平下的對比度、X 向打印增長、Y 向打印增長對應(yīng)的極差，這些指標(biāo)用來反映各因素的水平變動對試驗(yàn)結(jié)果影響的大小。

各工藝參數(shù)的共同作用影響著標(biāo)刻質(zhì)量。由表2 可知，第1 組試驗(yàn)的對比度最低（圖1a），第4 組試驗(yàn)的打印增長最大，標(biāo)刻質(zhì)量較差（圖1b），可見不同的標(biāo)刻工藝參數(shù)將引起條碼質(zhì)量的較大差異。

圖1 校驗(yàn)儀下的二維條碼圖像

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖2 是由正交試驗(yàn)得出的不同因素、水平對試驗(yàn)指標(biāo)影響的變化趨勢，從中可得到以下結(jié)論：

（1）除蝕刻電壓因素外，其他因素對二維條碼對比度的影響均成正增長趨勢，且影響顯著。

（2）對X 向、Y 向打印增長的影響趨勢都隨著氧化電壓的增大而迅速增大，氧化時間對打印增長的影響程度遠(yuǎn)小于氧化電壓。

（3）蝕刻電壓和蝕刻時間對打印增長的影響雖不顯著，但因其呈負(fù)增長趨勢，故可有效控制條碼打印增長。

通過極差分析能直觀地得到各試驗(yàn)因素對質(zhì)量指標(biāo)影響作用的顯著性強(qiáng)弱，但由于試驗(yàn)過程和結(jié)果測定中必然存在誤差，因此有必要進(jìn)一步采用方差分析法進(jìn)行分析[6]。方差是在隨機(jī)干擾存在的情況下，把各因素變化所產(chǎn)生的影響分離出來，進(jìn)而作出因素變化對研究對象是否有顯著性影響的推斷。下面將利用方差分析法研究電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)對二維條碼對比度和打印增長的影響。

2.1 電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)對二維條碼對比度的影響

對比度是衡量零件電化學(xué)直接標(biāo)刻二維條碼質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是標(biāo)刻基底材料表面顏色和經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)后表層物質(zhì)顏色的反差程度。對比度受電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)變化的影響，進(jìn)而影響Data Matrix 二維條碼質(zhì)量。

表3 是在不同的電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)組合情況下，二維條碼對比度的方差分析表。分析過程中，考慮各因素及其交互作用的影響，并令顯著度α=0.05，查出顯著度F 檢驗(yàn)的臨界值F0.05（1，5）=6.61。從表3 可看出，電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)中的蝕刻時間（B）、氧化電壓（C）、氧化時間（D）及蝕刻電壓與蝕刻時間（A×B）、蝕刻時間與氧化時間（B×D）的交互作用對二維條碼對比度的影響顯著，而蝕刻電壓（A）對二維條碼對比度的影響較小。

表3 因變量為二維條碼對比度的方差分析表

2.1.1 電化學(xué)氧化對二維條碼對比度的影響

電化學(xué)氧化是指在電化學(xué)標(biāo)刻過程中，僅采用通交流電的方式，在零件表面形成一層幾乎沒有深度的暗色氧化層。電化學(xué)的金屬去除量遵循法拉第電解定律[7]：

式中：V 為陽極溶解金屬體積，mm3；ω 為元素的體積電化學(xué)當(dāng)量，cm2/(A·s)；I 為電流強(qiáng)度，A；t 為加工時間，s。由此可推斷，電化學(xué)標(biāo)刻的能量Q 可表示為：

式中：C 為常數(shù)。

由式（2）可知，電流強(qiáng)度I和加工時間t 都與標(biāo)刻能量成正比關(guān)系，且增大輸出電壓或增加通電時間，對電化學(xué)標(biāo)刻能量的影響是相似的。

電化學(xué)標(biāo)刻中，氧化時間是指電化學(xué)反應(yīng)時所通交流電的時間。如圖3 所示，反應(yīng)時間過短時，暗色氧化物生成尚不充分，標(biāo)刻二維條碼質(zhì)量較差，對比度不能滿足掃描設(shè)備對條碼的識讀要求；隨著氧化時間的增加，二維條碼的對比度迅速上升，然后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著氧化時間的增加，電化學(xué)氧化反應(yīng)獲得的能量隨之增加，材料表面氧化反應(yīng)加劇，迅速生成與材料基體顏色反差較大的氧化物膜，條碼對比度顯著提高。而在電化學(xué)氧化反應(yīng)已充分進(jìn)行的情況下，繼續(xù)通電氧化，氧化物膜在電解液陰離子的作用下不斷溶解，與此同時，在陽極極化下，新的氧化膜不斷生成，這時氧化膜處在產(chǎn)生-溶解的動態(tài)狀態(tài)，二維條碼的對比度不會有顯著提高。

圖3 氧化時間對二維條碼對比度的影響

改變電化學(xué)標(biāo)刻的電壓即改變電源施加到陰極標(biāo)刻頭和陽極工件間的極間電壓，不同輸出電壓下的材料表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的程度不同，故對電化學(xué)標(biāo)刻二維條碼的質(zhì)量產(chǎn)生影響。如圖4 所示，隨著氧化電壓的增加，電化學(xué)氧化反應(yīng)獲得的能量隨之增加，反應(yīng)變得劇烈并迅速生成氧化膜。輸出電壓足夠大時，暗色氧化膜生成充分，二維條碼的對比度取決于氧化物的物理性質(zhì)，即氧化物與材料基體顏色的反差，這時再提高標(biāo)刻的能量，二維條碼對比度無顯著變化。

圖4 氧化電壓對二維條碼對比度的影響

圖5 是電化學(xué)氧化對二維條碼對比度影響的微觀圖。對比發(fā)現(xiàn)，隨著氧化時間或氧化電壓的增加，氧化物膜生成充分，模塊內(nèi)部未反應(yīng)區(qū)域顯著減少，二維條碼對比度顯著提高。

2.1.2 電化學(xué)蝕刻對二維條碼對比度的影響

圖5 電化學(xué)氧化對二維條碼對比度影響微觀圖（50×）

電化學(xué)蝕刻標(biāo)記通常通過應(yīng)用蝕刻組合達(dá)到，即先通直流電蝕刻，后通交流電氧化，生成的標(biāo)記深度通常為0.0025～0.1 mm。由前文可知，電化學(xué)蝕刻時間對二維條碼對比度有顯著影響，其影響關(guān)系見圖6。可看出，起初蝕刻時間對二維條碼對比度的影響并不明顯，當(dāng)蝕刻時間增加到1.25 s 后，二維條碼對比度先顯著提高，然后趨于穩(wěn)定。由于輸出電壓等于電流密度與電阻率的乘積，電流密度對表面粗糙度有著重要影響。一般而言，隨著加工電流密度的提高，表面粗糙度Ra 值迅速下降。而電化學(xué)反應(yīng)程度與材料的表面粗糙度有關(guān)，擁有更大表面粗糙度值的材料具有更大的腐蝕速度。因此，隨著電化學(xué)蝕刻時間的增加，反應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱使金屬電阻率變大，在輸出電壓不變的情況下，電流密度隨之降低，新生成的蝕刻面的表面粗糙度值增大，在氧化物層的生成過程中，電化學(xué)腐蝕速率增加，標(biāo)刻的二維條碼對比度提高。圖7 是電化學(xué)蝕刻對二維條碼對比度影響的微觀圖。對比可知，隨著電化學(xué)蝕刻時間的增加，模塊內(nèi)部材料機(jī)械加工紋理減弱，電化學(xué)反應(yīng)對材料表面粗糙度改變明顯，生成的氧化物膜變厚，二維條碼對比度提高。

圖6 蝕刻時間對二維條碼對比度的影響

2.2 電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)對二維條碼打印增長的影響

圖7 電化學(xué)蝕刻對二維條碼對比度影響微觀圖（50×）

打印增長是指在低電壓場作用下，電化學(xué)標(biāo)刻出的實(shí)際二維條碼與理想狀態(tài)下的二維條碼在X軸、Y 軸方向上的百分比。由于電化學(xué)標(biāo)刻過程中的側(cè)蝕現(xiàn)象不可避免，因此，打印增長也是評價電化學(xué)標(biāo)刻二維條碼質(zhì)量好壞的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。

表4 是電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)對打印增長影響的方差分析表。將表4 中的各因素F 值與顯著度F檢驗(yàn)的臨界值進(jìn)行比較后，可得氧化電壓（C）對打印增長影響最顯著。

表4 因變量為二維條碼X 向、Y 向打印增長的方差分析表

圖8 是氧化電壓對二維條碼打印增長的影響曲線。在相同工藝參數(shù)組合下，二維條碼的X 向和Y 向打印增長變化趨勢相同，都隨氧化電壓的增加而增大。

圖8 氧化電壓對二維條碼打印增長的影響

圖9 是電化學(xué)反應(yīng)側(cè)蝕的4 個階段[8]，這是由電化學(xué)標(biāo)刻加工區(qū)域中的電場特性決定的?？紤]電流密度的分布情況可知，電流密度最大的位置在工件上表面與模板輪廓邊緣處，故電化學(xué)標(biāo)刻會產(chǎn)生側(cè)蝕現(xiàn)象，且隨著輸出電壓的增加，側(cè)蝕現(xiàn)象明顯。另外，隨著輸出電壓的增加，電化學(xué)反應(yīng)獲得的能量相應(yīng)增加，加劇了電化學(xué)反應(yīng)，且產(chǎn)生大量的焦耳熱，這將導(dǎo)致模板邊緣的蠟層溶解，使模板質(zhì)量下降，進(jìn)而影響電化學(xué)標(biāo)刻的精度和質(zhì)量，主要表現(xiàn)為側(cè)蝕現(xiàn)象明顯，所標(biāo)刻的二維條碼打印增長迅速變大。

圖9 電化學(xué)反應(yīng)的側(cè)蝕現(xiàn)象

3 優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證

通過上述分析可知，過高的輸出電壓或過長的通電時間并不會進(jìn)一步提高電化學(xué)標(biāo)刻二維條碼的對比度；相反，在標(biāo)刻過程中會產(chǎn)生多余的焦耳熱，損傷模板，影響標(biāo)刻質(zhì)量，使條碼打印增長過大。因此，在滿足電化學(xué)反應(yīng)充分的前提下，宜選擇較小的功率等級，以控制打印增長，并通過適當(dāng)增加通電時間來增大標(biāo)刻能量，以此提高對比度。

考慮各因素及其交互作用對條碼標(biāo)刻質(zhì)量的影響，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較選優(yōu)，得到優(yōu)化方案為A1B2C1D2，該方案恰好是16 組試驗(yàn)中的第6 組試驗(yàn)。通過直接比較可知，該組試驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量確實(shí)較好。圖10 是根據(jù)優(yōu)選數(shù)據(jù)進(jìn)行電化學(xué)標(biāo)刻獲得的二維條碼校驗(yàn)結(jié)果，可看出二維條碼質(zhì)量很好，各質(zhì)量評價指標(biāo)均能滿足識讀要求，為電化學(xué)標(biāo)刻二維條碼在工程中的應(yīng)用提供了保障。

圖10 優(yōu)化工藝參數(shù)標(biāo)刻結(jié)果驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文通過正交試驗(yàn)和方差分析，研究了電化學(xué)標(biāo)刻工藝參數(shù)對二維條碼質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示：氧化時間和氧化電壓對二維條碼的對比度和打印增長影響最顯著，但二者綜合作用超出一定范圍后，進(jìn)一步增大二者作用對提高二維條碼的對比度無益，反而會增大其打印增長，引起條碼質(zhì)量下降。試驗(yàn)得到了針對TC4 材料的優(yōu)化工藝參數(shù)組合：輸出直流電壓12 V，通直流電時間3 s，輸出交流電壓5 V，通交流電時間2.5 s。該研究成果提高了電化學(xué)標(biāo)刻二維條碼的質(zhì)量等級，為零件電化學(xué)直接標(biāo)識技術(shù)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)與實(shí)施方法。

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