专利名称：激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造及激光器件领域，特指一种激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置，特别适用于既要求不能破坏零件表面状态，又要求具有高防伪性的关键零件的打标与识别，比如航空金属零部件。
背景技术：
现代制造的发展呈现两大趋势，第一是多品种小批量，这是人们物质生活越来越追求个性化的体现。第二航空航天及国防事业的发展，对零件的机械性能要求越来越高，尤其是随着结构重量比的增加，对零件的抗疲劳性能也越来越高，并且需要对这些关键零部件终生服役跟踪。另外，仿造也日益猖獗，冒牌伪劣产品的数量日益增多，造成了巨大的经济损失。这就迫使人们寻找开发新的零件标记和识辨的理论与技术，用来满足日益增长的需求。同时还要求零件的标识具有高防伪性能，以对付日益猖獗的伪造，保护自己的利益。目前，假冒产品不只限于CD盘、服装和化妆品，伪造的药品、婴儿食品、汽车零部件、甚至飞机零部件也越来越多。关于由于使用伪造的飞机零部件而造成的灾难性事故时有报道，可见，现代对零件标识提出了新的要求非破坏、高防伪、耐久。
零部件的标记与识辨是生产过程中一个不可缺少的重要环节。在早期，油墨标记方式广为使用，但由于易消退不耐久和无防伪功效，目前已经淘汰。钢码压印也是一种在生产车间使用的方式，但存在严重破坏零件表面状态、清晰度不稳定、效率低、不防伪的缺点，也被淘汰了。
随着激光技术的发展，激光标记得到广泛应用。激光标识分成两类，第一类是激光全息防伪标签，其标记的制作与零件的制造脱离，即将标签贴在零件上。标签图案比较固定无法及时变化仅仅是对一大批零件贴同样的标签，从而给标签的伪造客观上提供了充足的时间，而且标签易脱落，这实际上难以起到防伪作用。第二类是在零件表面直接烧蚀形成标记图案，这得到了广泛的应用，尤其是医疗器件的激光打标。但是，这种利用激光烧蚀热效应的标记方式存在两个主要缺点。第一，激光烧蚀将金属零件的表面材料去除一层，从而破坏了材料表面残余应力状态，形成残余拉应力状态和微细的裂纹。在零件受到交变载荷的状态下，这标记区变成了天然的疲劳源，从而萌生裂纹造成疲劳破坏。第二，防伪性能差。从这点考虑，激光烧蚀热效应打标也不适合这些关键零部件的打标。
美国利弗莫尔国家重点实验室Dance C Brent和Hackel Lloyda等人在2001年申报了激光喷丸打标专利(Identification marking by means of laser peening，Patent NumberWo0161619，2001-08-23)，也是利用激光冲击波力效应的无损打标，其特点是(1)二维液晶掩模，不能实现三维标识。(2)零件表面冲击前涂黑漆，然后用水做约束层。操作复杂，不均匀，难以确保标识的高清晰度，不适合空间曲面三维。(3)标记简单，采用二进制编码形成能被条形码机器识别的矩阵标记，不能标记复杂图形，防伪性不是太高。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于液晶掩膜的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置，它将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，能直接对金属零件发生塑性变形，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及不同规格的柔性贴膜，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形，并在标记区形成残余压缩应力和较低的表面粗糙度而不烧蚀零件表面。
实施本发明方法的装置包括光束空间调制器、工件夹具系统、控制系统，其特征在于设有由计算机编程控制的液晶掩膜及在线检测系统，控制系统分别控制激光发生器、液晶掩膜、工件夹具系统和在线检测系统，工件夹具系统包括覆盖柔性贴膜的工件、工件夹具、工作台。
其中该柔性贴膜由两组不同组份的GN-521有机硅凝胶液以及添加剂按一定配方混合而成(发明专利一种用于激光冲击处理的柔性贴膜，专利号ZL02138338.3)。
本发明方法的特征在于将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，基于液晶掩膜，采用单次或多次冲击形成所需的标记，并具有在线检测功能，具体实施过程如下(1)根据零件的标记区尺寸和材料，选择柔性贴膜，并将柔性贴膜贴在零件表面；(2)根据标识的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现快速的图案变换；(3)根据图案的复杂程度，选择激光工艺参数脉冲能量10～100焦尔、脉冲宽度8～80纳秒以及激光冲击轨迹和冲击次数1～100次；激光束经光束调制器均匀化调制与扩束后通过具有灰度图案的液晶掩膜，汇聚在工件表面的柔性贴膜上；柔性贴膜表层汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，在冲击波力效应的作用下材料发生塑性变形。由于液晶显示屏图案的灰度不同，激光束的通过率也不同，这就形成了空间分布也不同的冲击波压力，材料塑性变形量不同，从而形成三维的标记。
(4)通过在线检测装置，测量图案的变形量及误差，实现对零件的在线自动标识。
本发明的优点是1.通过采用可编程控制的液晶掩模和激光束的空间调制，实现激光冲击波打标的三维高防伪性。在本发明中，采用液晶显示技术，并制作成具有灰度的液晶图案显示，颜色深浅的不同，其透光率也不同，且连续可变，从而实现了真正的三维打标与微制造。同时由于可实时地进行计算机编程控制，液晶图案随时变换，真正实现了在线快速不同零件的不同标识。通过相应的识别系统就可快速地解码与识辨，这就具备了高防伪性。且通过扩束、均匀、成像，就可实现对激光束的精确调制，并根据图案的复杂程度和塑性变形的深浅，决定单次或多次冲击。
2.通过在金属零件表面覆盖一层柔性贴膜，完成对激光冲击区的表面处理，从而实现激光冲击波打标的无损性。由于该贴膜起到两个作用(1)气化电离爆炸形成冲击波，该冲击波的力效应使零件表层发生塑性变形，(2)保护零件表面不受到热损伤，即在激光束的照射下仅仅一薄层涂层气化，激光产生的热影响深度还不到零件表面，从而确保了零件仅仅受到力作用。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是实现本发明的装置示意图。
1.激光束空间调制器 2.液晶掩膜 3.透镜 4.零件具体实施方式
下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
该装置包括激光发生器、光束空间调制器(1)、液晶掩膜(2)、透镜(3)、零件(4)、控制系统。激光束空间调制器由凹透镜、凸透镜及均质器等组成。
根据零件的标记区尺寸和材料，选择柔性贴膜，并将柔性贴膜贴在零件表面；根据标识的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现快速的图案变换；激光发生器产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲，激光冲击轨迹和冲击次数1～100次，激光束的光斑模式可以是基模、多模等多种模式。由激光发生器产生的激光束经导光系统进入光束空间调制器(1)，光束经过扩束、均质后形成较均匀空间能量分布。经过扩束和均匀化的激光束通过液晶掩膜(2)，经透镜(3)将液晶掩膜屏上的图案汇聚到零件(4)表面的柔性贴膜上，产生空间分布与图案一致的冲击波作用力，形成能被识辨机器识别的标记，如基本字母、逻辑符、数字矩阵、三维图形等。通过在线检测装置，测量图案的变形量及误差，实现对零件的在线自动标识。
权利要求
1.激光冲击波三维高防伪无损标识的装置，其包括光束空间调制器、工件夹具系统、控制系统，其特征在于设有由计算机编程控制的液晶掩膜及在线检测系统，控制系统分别控制激光发生器、液晶掩膜、工件夹具系统和在线检测系统，工件夹具系统包括覆盖柔性贴膜的工件、工件夹具、工作台。
2.根据权利要求1所述的激光冲击波三维高防伪无损标识的装置，其特征是所述柔性贴膜由两组不同组份的GN-521有机硅凝胶液以及添加剂按一定配方混合而成。
3.实现激光冲击波三维高防伪无损标识的方法，其特征在于将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，基于液晶掩膜，采用单次或多次冲击形成所需的标记，并具有在线检测，其实施过程为(1)根据零件的标记区尺寸和材料，选择柔性贴膜，并将柔性贴膜贴在零件表面；(2)根据标识的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现快速的图案变换；(3)根据图案的复杂程度，选择激光工艺参数脉冲能量10～100焦尔、脉冲宽度8～80纳秒以及激光冲击轨迹和冲击次数1～100次，激光束经光束调制器均匀化调制与扩束后通过具有灰度图案的液晶掩膜，汇聚在工件表面的柔性贴膜上；柔性贴膜表层汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，在冲击波力效应的作用下材料发生塑性变形，从而形成三维的标记；(4)通过在线检测装置，测量图案的变形量及误差，实现对零件的在线自动标识。
全文摘要
本发明涉及机械制造及激光器件领域，其特别适用于既要求不能破坏零件表面状态，又要求具有高防伪性的关键零件的打标与识别，比如航空金属零部件。其将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，能直接对金属零件发生塑性变形，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及不同规格的柔性贴膜，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形，实现激光冲击波打标的三维高防伪性；并在标记区形成残余压缩应力和较低的表面粗糙度而不烧蚀零件表面，保证了激光冲击波打标的无损性。
文档编号B23K26/18GK1669719SQ200510037968
公开日2005年9月21日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者张永康, 殷苏民, 周建忠, 鲁金忠, 冯爱新 申请人:江苏大学