高重频调制多脉冲ＹＡＧ激光刻花系统及加工方法技术方案

本发明专利技术的ＹＡＧ激光刻花系统具有声光调Ｑ的ＹＡＧ激光器，在微机控制下输出轻调Ｑ的高频编组脉冲，激光经聚焦头聚焦于工件表面，聚焦头和工件分别在微机控制下沿互相垂直的轨道移动，以使激光在工件上加工出所需图形，采用辅助气体斜角侧吹和偏心或倾斜加工方式，在冷轧辊的毛化和刻花工艺中具有突出的效果。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光加工设备及加工方法，特别是一种利用脉冲激光在材料表面进行加工的设备及方法。目前，激光刻花技术已有较为广泛的应用。所谓激光刻花即通过激光脉冲在材料表面加工出许多显微凹坑而组成图案。微坑的排列，走向以及在材料表面的分布区域由计算机程序设定，由此形成加工图案，至于微坑的深坑以及形貌则由图案的要求和使用的加工系统及特定的工艺和参数所决定。目前已开展的激光刻花主要包括平面和立体图案的雕刻，冷轧辊的毛化与花纹雕刻，采用的激光方法主要是CO2激光和YAG激光。目前，在国外以CO2激光为主，其关键的部分主要由千瓦级基模连续波CO2激光器为光源，连续波激光经外光路，高速机械斩波器变为脉冲激光，再经聚焦头作用于材料表面，加上控制系统以及其它一些辅助工艺，形成对图案的加工。YAG激光目前主要应用于平面图案的雕刻，采用的激光器有脉冲激励的YAG激光器，也有声光调Q的YAG激光器，其系统和工艺多种多样，与CO2激光相比，通常的YAG激光系统没有机械斩波器的振动问题，造价低，但在加工速度(脉冲频率)或脉冲能量方面却比不上CO2激光系统，而冷轧辊的毛化和刻花需要高的加工速度和较大的脉冲能量。因此，YAG激光目前在这两方面尚未获得应用。另外，目前所应用的激光刻花系统都是针对某一应用方面的专用设备和技术，它们之间几乎不存在通用性。为此，本专利技术提出了附图说明图1所示的YAG激光刻花系统及其相应的一系列技术方法，旨在克服目前激光刻花系统的上述不足。本专利技术的目的是提供一种激光刻花装置及加工方法，采用声光调QYAG激光器，并对激光脉冲进行编组、变频以对材料表面进行加工。本专利技术的另一目的是提供一种具有辅助气体侧吹设备，以使加工表面具有特定微坑形貌的激光刻花装置及加工方法。本专利技术的高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统具有如图1所示的与一般激光表面刻花装置基本相同的部分激光器1发出激光脉冲，经外光路系统和聚焦头4作用在工件表面，分束器3可以允许激光完全通过而将可见光全部反射经成像系统5进入CCD摄像头6，通过显示器7便可以观察到加工点的显微图像。图形加工的功能完成，由图像采集器13输入图像12，经图像处理系统14后将信号送入微机15，微机既可以设计图形也可以接收外部输入图形并通过绘图仪16和显示器17将图像进行显示，图像信号由微机输出至驱动单元18，控制伺服电机10，11的转动。聚焦头4通过导轨8沿X方向在电机10的驱动下移动，工件9则沿Y方向在电机11的驱动下运动Y轴既可以是旋转座标(对轧辊加工)也可以是垂直X轴的平动座标(对平面加工)。本专利技术的特征在于在控制冷轧辊激光毛化的粗糙度，显微凹坑的深度和凸台高度以及立体图形的刻蚀深度方面，本专利技术采用了一种特殊的脉冲编组控制技术。通常情况下声光调QYAG激光器发出的脉冲，由于受到调制器关断功率的限制，激光器输出的单脉冲最大能量很小，一般小于10mJ，虽然脉冲频率很高，但并不足以进行立体图形的深度加工和使轧辊达到高的表面粗糙度。为此，本专利技术引入如图3(e)所示的脉冲序列。脉冲按编组方式控制，脉冲周期t与工件的运动速度相比是如此之短，以至当一组脉冲作用在工件上时，这些脉冲基本上作用于同一点上，脉冲组的周期与工件的运动速度相对应。一个脉冲组内的脉冲数可以任意调节，脉冲数越多，激光作用在材料上的微坑越深，可以达到立体图形的深度加工和轧辊毛化的高表面粗糙度加工，所有这些脉冲的变化均靠控制声光调制器的控制单元得以实现。在冷轧辊激光毛化方面，本专利技术采用的另一项特殊技术是对YAG激光器的轻调Q技术。冷轧辊的激光毛化需要在显微凹坑周围加工出足够高的凸台即具有足够的表面粗糙度，已往的分析已经指出，微坑凸台的形成是微坑熔融物质堆积的结果。这就是说，激光的作用应该使微坑有足够的熔化才有可能形成凸台，声光调QYAG激光器的特点之一是脉冲峰值功率高，脉宽窄，其峰值功率远远超过了使材料熔化的阈值点而窄的脉宽表明激光的作用时间很短以至没有使材料充分熔化的时间，其结果是微坑主要以汽化形成而几乎没有凸台存在。对此，本专利技术采用了一种轻调Q的激光技术，通过控制调制器的驱动功率使连续激光和脉冲激光同时输出，其脉冲部分和连续部分的比例可以通过控制调制器的驱动功率加以改变，由于非完全的调Q，因此，脉冲激光的脉宽增宽，这将增加激光对微坑的作用时间，同时，由于脉冲峰值功率下降，将有助于熔化的形成而减少对材料的汽化，其结果将有利于微坑凸台的形成。激光器所输出的连续光部分可以对轧辊表面实施热处理，以提高轧辊表面微坑以外区域的硬度与耐磨性。与此相反，对立体图形的刻花加工需要有效的去除材料，保证图案具有清晰的边缘轮廓，因此，使材料汽化是技术的关键所在。与轻调Q相反的深调Q将能有效的解决这一问题。无论是轻调Q还是深调Q，其调Q程度的控制均由微机15控制调制器的控制单元2实现。在冷轧辊的激光毛化应用方面，本专利技术的另外两项技术是辅助气体的斜角侧吹与偏心加工方法。参考图5，传统的激光加工方法是采用同轴吹气，其结果如图5a所示，在显微凹坑周围产生一环形凸台，本专利技术的斜角侧吹方法，由图5b所示，改变了传统的环形凸台结构，当激光作用在金属表面时，金属熔融物质沿吹气方向流动，在微坑的一侧形成凸包，吹气的角度和辅助气体的种类对凸包的形成均有影响，这种在显微凹坑一侧形成的凸包比传统的环形凸台更容易达到高的凸起，从而得到高的表面粗糙度。图6所示为偏心加工方法。偏心加工实际上是与加工点的法线形成某一夹角即与作用面倾斜的加工。比较图6a和图6b可以发现，在激光束和吹气角度一定的条件下，倾斜加工比垂直加工更有利于微坑单侧凸包的形成，这是因为金属熔化物在激光等离子体压力和气压的共同作用下，更易于沿低边流出。下面，通过实施例并参照附图对本专利技术进行详细说明图1是本专利技术结构方框图。图2是本专利技术实施例结构示意图。图3是本专利技术激光脉冲编组时序图。图4是本专利技术激光脉冲编组电路原理图。图5是本专利技术斜角侧吹气加工方法示意图。图6是本专利技术偏心和倾斜加工方法示意图。图7是本专利技术的轧辊双向刻蚀加工方法示意图。本专利技术的YAG激光刻花系统与一般激光加工设备相同，也包括激光加工光源系统、加工机床、控制与显示系统三部分，如图2所示。其中，激光加工光源系统包括激光器1，激光器电源及激光光路系统，其光路组成为激光束经反射镜31后通过光纤传输到装设在聚焦头支架23内的分束器3，该分束器3将激光反射(或透射)至聚焦头4，然后聚焦于工件28表面，加工点的显微图像经聚焦头4和分束器3等光学系统送入图像接收器6，再送至监视器7。本专利技术的特点是采用激光轻调Q技术及特殊的激光脉冲编组方式输出。在实施例中，激光器1采用声光调QYAG激光器，如图1所示，该激光器与声光调制控制器2相连，调制频率为0.5-20KHz，其调制深度可调，当进行冷轧辊毛化加工时，可进行轻度调Q，即在激光脉冲的间隔时间内，使激光输出强度不为零，也就是脉冲激光与连续激光同时输出，并且，两者的强度比例可根据需要任意调节。本专利技术的脉冲激光编组方式输出，如图3中(e)所示，在激光脉冲输出时间t1内，是由多个脉冲组成的一个脉冲组，脉冲组的脉冲个数可调。其调制电路的基本组成如图4所示，各级输出见时序图3，图4中的A，B，C电路元件为555芯片，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光刻花系统，包括激光系统、加工机床、控制与显示三部分；所述激光系统包括激光器及其光路系统和聚焦头；加工机床部分包括工作台、机架及其驱动机构，工作台上安装有工件卡具和辅助吹气装置，机架上装设着激光系统；驱动机构驱动聚焦头和工件相对作二维运动；控制与显示部分包括微机、激光与机床的控制装置其特征在于：所述激光系统包括声光调Ｑ的ＹＡＧ激光器１及与其相连的声光调制控制器２，该声光调制控制器２在微机１５的控制下控制激光调Ｑ频率、调Ｑ深度和脉冲的编组输出，所述脉冲编组形式为在脉冲周期Ｔ内的激光输出时间ｔ１内，由多个脉冲形成的脉冲组输出；激光光束经过分束器３，再经聚焦头４聚焦于工件表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明江，陈光南，吴坚，王旭，李重，刘天化，钟玉清，邓树森，董雪生，李旭昌，孙传香，王瑞林，纪全，林斌，刘后宽，李英，赵冰，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，北京吉普汽车有限公司，首都钢铁总公司，中国大恒公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]