金属表面激光着色是通过激光辐照金属表面,在金属表面产生不同颜色的一种新兴的着色工艺。激光着色不需要专门的涂料,具有无接触、加工灵活等优点,近年来受到广泛的关注。尽管如此,要实现金属表面激光着色的工业化应用仍有很长的路要走,这是因为在激光和金属材料的相互作用产生颜色的过程中,着色效果对激光参数和材料特性极为敏感,均匀性和稳定性一直以来都还是激光着色领域的两大挑战性课题。为此,本文选择Ti-6Al-4V合金作为加工对象,利用Nd:YAG纳秒激光器进行激光着色研究,主要研究了影响激光着色稳定性和不均匀性的主要因素、基于热物理场探索激光着色不均的原因并提出改进措施、实现彩色二维条码的激光标刻等内容,具体内容如下:研究了影响激光着色稳定性和均匀性的主要激光参数。提出了基于HSI(Hue-Saturation-Intensity)颜色空间的激光着色评估方法,通过分析激光着色样本在HSI颜色空间中的分布,确定其主要颜色的值及主色占比,作为描述样本稳定性和均匀性的评价指标。研究了激光电流、重复频率、扫描速度和线间距等参数对钛合金表面激光着色效果的影响。试验结果表明,在钛合金表面,激光能够稳定形成黄、橙、红、紫、蓝、灰等多种颜色,以橙、红、蓝三种颜色为例分析了它们的稳定性和均匀性;低重复频率和高电流下形成的颜色均匀性较好。建立了激光和材料相互作用的理论和计算仿真模型,对激光着色中不均匀样本产生的原因进行了分析。基于热传导理论,建立激光和金属相互作用的理论模型,并基于COMSOLMultiphysics多物理场有限元分析软件,建立了计算机仿真模型,得到激光辐照材料表面所产生的温度场分布。通过分析温度场的分布特点及比对不均匀样本的颜色分布情况,发现着色不均现象主要是受不同激光扫描轨迹的热影响区累加形成的最高温度影响。相同的原因,加工参数不变的情况下,改变加工区域尺寸也会使着色效果发生变化。为了改善着色中出现的不均匀现象,设计了加工前预热和规划扫描路径两种改进措施,通过试验证明方法有效。研究了基于彩色二维条码的直接零件标识激光标刻技术,成功实现了彩色直接零件标识的加工。基于Data Matrix码,通过二进制信息转化为四进制信息,设计了一种基于四进制的彩色二维条码。选取Ti-6A1-4V合金表面激光着色试验研究中稳定性、均匀性较好的橙、红、蓝三种颜色,加上钛合金的底色,共四种颜色作为彩色二维条码的四种彩色单元,用于表达四进制信息,形成彩色二维条码。加工时,因钛合金表面不同颜色的着色参数不同,根据彩色二维条码不同颜色单元的分布情况建立了多个标刻文件,分别调用进行标刻作业。针对多模块着色过程中可能会出现的颜色稳定性问题,设计了改进工艺。为了检验彩色二维条码的激光标刻质量,进一步对标刻彩色二维条码样本进行了信息提取试验。采集样本图像后,对图像进行二值化、数学形态学处理、边缘提取、角点检测、投影变换矫正,彩色单元聚类等操作,成功实现了彩色二维条码四进制信息的提取。进一步通过二进制转化还原为黑白Data Matrix码,经与原始的Data Matrix码比较,内容一致,证明了激光着色用于彩色二维条码是可行的。针对现有激光标刻系统尚无彩色二维条码标刻软件的问题,设计了一种彩色二维条码激光标刻辅助软件,将各类金属在激光作用下可形成的彩色信息存入数据库。标刻作业时,将需要标刻的内容生成相对应的彩色二维条码,并根据颜色进行拆分,同时调取数据库中存储的相应颜色的加工参数,生成不同颜色单元的标刻文件,以供激光标刻作业时选择使用。此软件的设计,操作简便,有助于形成完整的彩色激光标刻系统。