高重頻調(diào)制多脈沖ＹＡＧ激光刻花系統(tǒng)及加工方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)的ＹＡＧ激光刻花系統(tǒng)具有聲光調(diào)Ｑ的ＹＡＧ激光器，在微機(jī)控制下輸出輕調(diào)Ｑ的高頻編組脈沖，激光經(jīng)聚焦頭聚焦于工件表面，聚焦頭和工件分別在微機(jī)控制下沿互相垂直的軌道移動(dòng)，以使激光在工件上加工出所需圖形，采用輔助氣體斜角側(cè)吹和偏心或傾斜加工方式，在冷軋輥的毛化和刻花工藝中具有突出的效果。（*該技術(shù)在2012年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于激光加工設(shè)備及加工方法，特別是一種利用脈沖激光在材料表面進(jìn)行加工的設(shè)備及方法。目前，激光刻花技術(shù)已有較為廣泛的應(yīng)用。所謂激光刻花即通過激光脈沖在材料表面加工出許多顯微凹坑而組成圖案。微坑的排列，走向以及在材料表面的分布區(qū)域由計(jì)算機(jī)程序設(shè)定，由此形成加工圖案，至于微坑的深坑以及形貌則由圖案的要求和使用的加工系統(tǒng)及特定的工藝和參數(shù)所決定。目前已開展的激光刻花主要包括平面和立體圖案的雕刻，冷軋輥的毛化與花紋雕刻，采用的激光方法主要是CO2激光和YAG激光。目前，在國外以CO2激光為主，其關(guān)鍵的部分主要由千瓦級(jí)基模連續(xù)波CO2激光器為光源，連續(xù)波激光經(jīng)外光路，高速機(jī)械斬波器變?yōu)槊}沖激光，再經(jīng)聚焦頭作用于材料表面，加上控制系統(tǒng)以及其它一些輔助工藝，形成對(duì)圖案的加工。YAG激光目前主要應(yīng)用于平面圖案的雕刻，采用的激光器有脈沖激勵(lì)的YAG激光器，也有聲光調(diào)Q的YAG激光器，其系統(tǒng)和工藝多種多樣，與CO2激光相比，通常的YAG激光系統(tǒng)沒有機(jī)械斬波器的振動(dòng)問題，造價(jià)低，但在加工速度(脈沖頻率)或脈沖能量方面卻比不上CO2激光系統(tǒng)，而冷軋輥的毛化和刻花需要高的加工速度和較大的脈沖能量。因此，YAG激光目前在這兩方面尚未獲得應(yīng)用。另外，目前所應(yīng)用的激光刻花系統(tǒng)都是針對(duì)某一應(yīng)用方面的專用設(shè)備和技術(shù)，它們之間幾乎不存在通用性。為此，本專利技術(shù)提出了附圖說明圖1所示的YAG激光刻花系統(tǒng)及其相應(yīng)的一系列技術(shù)方法，旨在克服目前激光刻花系統(tǒng)的上述不足。本專利技術(shù)的目的是提供一種激光刻花裝置及加工方法，采用聲光調(diào)QYAG激光器，并對(duì)激光脈沖進(jìn)行編組、變頻以對(duì)材料表面進(jìn)行加工。本專利技術(shù)的另一目的是提供一種具有輔助氣體側(cè)吹設(shè)備，以使加工表面具有特定微坑形貌的激光刻花裝置及加工方法。本專利技術(shù)的高重頻調(diào)制多脈沖YAG激光刻花系統(tǒng)具有如圖1所示的與一般激光表面刻花裝置基本相同的部分激光器1發(fā)出激光脈沖，經(jīng)外光路系統(tǒng)和聚焦頭4作用在工件表面，分束器3可以允許激光完全通過而將可見光全部反射經(jīng)成像系統(tǒng)5進(jìn)入CCD攝像頭6，通過顯示器7便可以觀察到加工點(diǎn)的顯微圖像。圖形加工的功能完成，由圖像采集器13輸入圖像12，經(jīng)圖像處理系統(tǒng)14后將信號(hào)送入微機(jī)15，微機(jī)既可以設(shè)計(jì)圖形也可以接收外部輸入圖形并通過繪圖儀16和顯示器17將圖像進(jìn)行顯示，圖像信號(hào)由微機(jī)輸出至驅(qū)動(dòng)單元18，控制伺服電機(jī)10，11的轉(zhuǎn)動(dòng)。聚焦頭4通過導(dǎo)軌8沿X方向在電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)，工件9則沿Y方向在電機(jī)11的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)Y軸既可以是旋轉(zhuǎn)座標(biāo)(對(duì)軋輥加工)也可以是垂直X軸的平動(dòng)座標(biāo)(對(duì)平面加工)。本專利技術(shù)的特征在于在控制冷軋輥激光毛化的粗糙度，顯微凹坑的深度和凸臺(tái)高度以及立體圖形的刻蝕深度方面，本專利技術(shù)采用了一種特殊的脈沖編組控制技術(shù)。通常情況下聲光調(diào)QYAG激光器發(fā)出的脈沖，由于受到調(diào)制器關(guān)斷功率的限制，激光器輸出的單脈沖最大能量很小，一般小于10mJ，雖然脈沖頻率很高，但并不足以進(jìn)行立體圖形的深度加工和使軋輥達(dá)到高的表面粗糙度。為此，本專利技術(shù)引入如圖3(e)所示的脈沖序列。脈沖按編組方式控制，脈沖周期t與工件的運(yùn)動(dòng)速度相比是如此之短，以至當(dāng)一組脈沖作用在工件上時(shí)，這些脈沖基本上作用于同一點(diǎn)上，脈沖組的周期與工件的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)。一個(gè)脈沖組內(nèi)的脈沖數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，脈沖數(shù)越多，激光作用在材料上的微坑越深，可以達(dá)到立體圖形的深度加工和軋輥毛化的高表面粗糙度加工，所有這些脈沖的變化均靠控制聲光調(diào)制器的控制單元得以實(shí)現(xiàn)。在冷軋輥激光毛化方面，本專利技術(shù)采用的另一項(xiàng)特殊技術(shù)是對(duì)YAG激光器的輕調(diào)Q技術(shù)。冷軋輥的激光毛化需要在顯微凹坑周圍加工出足夠高的凸臺(tái)即具有足夠的表面粗糙度，已往的分析已經(jīng)指出，微坑凸臺(tái)的形成是微坑熔融物質(zhì)堆積的結(jié)果。這就是說，激光的作用應(yīng)該使微坑有足夠的熔化才有可能形成凸臺(tái)，聲光調(diào)QYAG激光器的特點(diǎn)之一是脈沖峰值功率高，脈寬窄，其峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了使材料熔化的閾值點(diǎn)而窄的脈寬表明激光的作用時(shí)間很短以至沒有使材料充分熔化的時(shí)間，其結(jié)果是微坑主要以汽化形成而幾乎沒有凸臺(tái)存在。對(duì)此，本專利技術(shù)采用了一種輕調(diào)Q的激光技術(shù)，通過控制調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)功率使連續(xù)激光和脈沖激光同時(shí)輸出，其脈沖部分和連續(xù)部分的比例可以通過控制調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)功率加以改變，由于非完全的調(diào)Q，因此，脈沖激光的脈寬增寬，這將增加激光對(duì)微坑的作用時(shí)間，同時(shí)，由于脈沖峰值功率下降，將有助于熔化的形成而減少對(duì)材料的汽化，其結(jié)果將有利于微坑凸臺(tái)的形成。激光器所輸出的連續(xù)光部分可以對(duì)軋輥表面實(shí)施熱處理，以提高軋輥表面微坑以外區(qū)域的硬度與耐磨性。與此相反，對(duì)立體圖形的刻花加工需要有效的去除材料，保證圖案具有清晰的邊緣輪廓，因此，使材料汽化是技術(shù)的關(guān)鍵所在。與輕調(diào)Q相反的深調(diào)Q將能有效的解決這一問題。無論是輕調(diào)Q還是深調(diào)Q，其調(diào)Q程度的控制均由微機(jī)15控制調(diào)制器的控制單元2實(shí)現(xiàn)。在冷軋輥的激光毛化應(yīng)用方面，本專利技術(shù)的另外兩項(xiàng)技術(shù)是輔助氣體的斜角側(cè)吹與偏心加工方法。參考圖5，傳統(tǒng)的激光加工方法是采用同軸吹氣，其結(jié)果如圖5a所示，在顯微凹坑周圍產(chǎn)生一環(huán)形凸臺(tái)，本專利技術(shù)的斜角側(cè)吹方法，由圖5b所示，改變了傳統(tǒng)的環(huán)形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，當(dāng)激光作用在金屬表面時(shí)，金屬熔融物質(zhì)沿吹氣方向流動(dòng)，在微坑的一側(cè)形成凸包，吹氣的角度和輔助氣體的種類對(duì)凸包的形成均有影響，這種在顯微凹坑一側(cè)形成的凸包比傳統(tǒng)的環(huán)形凸臺(tái)更容易達(dá)到高的凸起，從而得到高的表面粗糙度。圖6所示為偏心加工方法。偏心加工實(shí)際上是與加工點(diǎn)的法線形成某一夾角即與作用面傾斜的加工。比較圖6a和圖6b可以發(fā)現(xiàn)，在激光束和吹氣角度一定的條件下，傾斜加工比垂直加工更有利于微坑單側(cè)凸包的形成，這是因?yàn)榻饘偃刍镌诩す獾入x子體壓力和氣壓的共同作用下，更易于沿低邊流出。下面，通過實(shí)施例并參照附圖對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是本專利技術(shù)結(jié)構(gòu)方框圖。圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本專利技術(shù)激光脈沖編組時(shí)序圖。圖4是本專利技術(shù)激光脈沖編組電路原理圖。圖5是本專利技術(shù)斜角側(cè)吹氣加工方法示意圖。圖6是本專利技術(shù)偏心和傾斜加工方法示意圖。圖7是本專利技術(shù)的軋輥雙向刻蝕加工方法示意圖。本專利技術(shù)的YAG激光刻花系統(tǒng)與一般激光加工設(shè)備相同，也包括激光加工光源系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制與顯示系統(tǒng)三部分，如圖2所示。其中，激光加工光源系統(tǒng)包括激光器1，激光器電源及激光光路系統(tǒng)，其光路組成為激光束經(jīng)反射鏡31后通過光纖傳輸?shù)窖b設(shè)在聚焦頭支架23內(nèi)的分束器3，該分束器3將激光反射(或透射)至聚焦頭4，然后聚焦于工件28表面，加工點(diǎn)的顯微圖像經(jīng)聚焦頭4和分束器3等光學(xué)系統(tǒng)送入圖像接收器6，再送至監(jiān)視器7。本專利技術(shù)的特點(diǎn)是采用激光輕調(diào)Q技術(shù)及特殊的激光脈沖編組方式輸出。在實(shí)施例中，激光器1采用聲光調(diào)QYAG激光器，如圖1所示，該激光器與聲光調(diào)制控制器2相連，調(diào)制頻率為0.5-20KHz，其調(diào)制深度可調(diào)，當(dāng)進(jìn)行冷軋輥毛化加工時(shí)，可進(jìn)行輕度調(diào)Q，即在激光脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，使激光輸出強(qiáng)度不為零，也就是脈沖激光與連續(xù)激光同時(shí)輸出，并且，兩者的強(qiáng)度比例可根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)。本專利技術(shù)的脈沖激光編組方式輸出，如圖3中(e)所示，在激光脈沖輸出時(shí)間t1內(nèi)，是由多個(gè)脈沖組成的一個(gè)脈沖組，脈沖組的脈沖個(gè)數(shù)可調(diào)。其調(diào)制電路的基本組成如圖4所示，各級(jí)輸出見時(shí)序圖3，圖4中的A，B，C電路元件為555芯片，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種激光刻花系統(tǒng)，包括激光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制與顯示三部分；所述激光系統(tǒng)包括激光器及其光路系統(tǒng)和聚焦頭；加工機(jī)床部分包括工作臺(tái)、機(jī)架及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)上安裝有工件卡具和輔助吹氣裝置，機(jī)架上裝設(shè)著激光系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)聚焦頭和工件相對(duì)作二維運(yùn)動(dòng)；控制與顯示部分包括微機(jī)、激光與機(jī)床的控制裝置其特征在于：所述激光系統(tǒng)包括聲光調(diào)Ｑ的ＹＡＧ激光器１及與其相連的聲光調(diào)制控制器２，該聲光調(diào)制控制器２在微機(jī)１５的控制下控制激光調(diào)Ｑ頻率、調(diào)Ｑ深度和脈沖的編組輸出，所述脈沖編組形式為在脈沖周期Ｔ內(nèi)的激光輸出時(shí)間ｔ１內(nèi)，由多個(gè)脈沖形成的脈沖組輸出；激光光束經(jīng)過分束器３，再經(jīng)聚焦頭４聚焦于工件表面。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊明江，陳光南，吳堅(jiān)，王旭，李重，劉天化，鐘玉清，鄧樹森，董雪生，李旭昌，孫傳香，王瑞林，紀(jì)全，林斌，劉后寬，李英，趙冰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京吉普汽車有限公司，首都鋼鐵總公司，中國大恒公司，
類型：發(fā)明
國別省市：11[中國|北京]