一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统的制作方法

1.本发明涉及激光标刻技术领域，具体涉及一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统。


背景技术：

2.近年来，激光打标已经在很多领域取代传统打标方式而成为常规的加工方式，甚至形成新的工业标准。在不锈钢应用领域市场需求越来越大。不锈钢表面灰度打标方法主要是使用光纤激光器做核心器件，打出的图案标记粗糙度高，颗粒度基本在毫米级别，灰度色域小，分辨率低，精度差。主要原因有几个方面，第一是核心器件一致性重复单元最高极限水平在纳秒级别，导致光子分辨率低，光子不均匀，一致性差等。第二是对于在不锈钢表面进行激光灰度打标，现有的打标设备机理是基于化学方法发展而来，在待标记物的表层材料上通过热致熔化作用施加激光束，一般都产生挂渣、裂纹、热影响区等不良效果。第三是控制工艺参数如激光束脉宽、功率、离焦量、填充方式，延时参数等，产生不同厚度的氧化膜打标层，但是整体均匀性很难控制，效果不一致性比较明显。


技术实现要素：

3.有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标方法和系统。本发明方法无需对不锈钢表面做特殊处理，能够直接在不锈钢表面打标形成均匀性高，一致性好的灰度标志效果，几乎无裂纹无杂色。
4.本发明提供一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标的方法，所述方法包括步骤：
5.1)将不锈钢工件置于工作台上；
6.2)将激光器设于工作台的一侧；所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的红外超快激光器；所述激光器的发射频率为10khz-1000khz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为10-1000uj，所述单脉冲间能量差异≤
±
5％，所述单脉冲宽度为1-15ps；
7.3)所述激光脉冲峰值单脉冲能量设置为固定值；所述峰值单脉冲能量当量设定为5％-95％之间的任一固定值；
8.4)所述激光器发射的红外超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦在工作台上的不锈钢工件表面；
9.5)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束x、y、z轴的移动，完成不锈钢表面图案的激光标刻形成保护膜，所述保护膜在自然光的不同角度下形成灰度精密标志。
10.进一步，所述经过光束传输光路的激光经光隔离器后输入到振镜。
11.进一步，所述单脉冲为单脉冲光子尖峰波。
12.进一步，所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
13.进一步，形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-25um。
14.本发明还提供实现上述方法的红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统，所述系统
包括工作台、光学系统和控制器；光学系统包括红外超快激光器、光路和振镜打标头，所述光路包括整形光路和光束传输光路，激光振镜打标头中设有振镜和场镜；工作台上设有x轴移动机构,x轴移动机构上设置激光振镜打标头；用于驱动激光振镜打标头沿工作台x轴方向移动；激光振镜打标头下方的工作台上设有不锈钢固定模块。
15.所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的红外超快激光器；所述激光器的发射频率为10khz-1000khz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为10-1000uj，所述单脉冲间能量差异≤
±
5％，所述单脉冲宽度为1-15ps；所述激光脉冲峰值单脉冲能量为固定值；所述峰值单脉冲能量当量为5％-95％之间的任一固定值。
16.所述整形光路为放大倍率1-8倍的扩束光路；所述光束传输光路为传输距离100-1000mm的传输光路；所述振镜转速为1000-50000转/秒；所述场镜是f-θ场镜或远心场镜，焦距为50-500mm。
17.所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为1064
±
5nm。
18.进一步，所述x轴移动机构包括龙门架和设于工作台两侧的第一滑轨；
19.其中，两侧的所述第一滑轨内均设有第一滑块，所述龙门架的两个立柱的底端分别连接于两侧的所述第一滑块上，所述工作台的两侧还分别设有第一驱动，两个所述第一驱动分别用于驱动相应侧的第一滑块沿相应第一滑轨移动。
20.所述激光振镜打标头设于龙门架的横梁上。
21.进一步，所述不锈钢为不锈钢水杯，所述不锈钢水杯固定模块包括固定块，所述固定块设于工作台上，所述固定块上设有转动驱动机构，所述转动驱动机构上设有固定手臂，所述固定手臂上固定不锈钢水杯；所述转动驱动机构设置为能够驱动不锈钢水杯在与x轴垂直的竖直面内转动。
22.进一步，所述固定手臂包括水平设置的固定筒，所述固定筒的一端连接于转动驱动机构上，所述固定筒的另一端设有数个弹性探头。
23.进一步，所述固定筒的内部设有中心轴，所述弹性探头通过弹性连接件连接于中心轴上，每个所述弹性探头对应的所述固定筒处均设有通孔，所述弹性探头在弹性连接件的作用下通过通孔伸出至固定筒的外侧。
24.进一步，所述弹性探头为半球形，所述弹性探头的圆形平面侧固定于弹性连接件上，所述弹性探头的圆形平面的直径大于通孔的直径。
25.本发明的有益效果在于：
26.1.本发明基于锁定的高重复频率、单脉冲工作、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性高的超快激光表面灰度打标方法，无需对不锈钢表面做特殊处理，能够直接对不锈钢工件进行打标，在不锈钢表面形成一种均匀性高，一致性好的灰度标志效果，几乎无裂纹无杂色。
27.2.本发明的表面灰度打标方法，激光器输出的高能量皮秒单脉冲光子，这种激光光子能量分辨率精细，灰度色域远远大于常规灰度色域分辨率3-6个数量级，在可控光子作用的不锈钢表面打标，灰度颜色非常逼真。
28.3.该系统光子单脉冲能量高，均匀性好，操作简单快速，无须调节光子脉冲宽度，而且在时域上表现唯一，分辨率高。
29.4.该系统聚焦超精细，均匀光叠加，在加工过程中对不锈钢材料表面形成的颗粒
能够达到纳米尺寸级别，提高了标刻精度。
30.5.该系统不是通过热致熔化材料，而是通过直接汽化材料来实现标刻。材料的晶格和分子之间，还没来得及传热就已经被去除，几乎无挂渣，无裂纹，无热影响区。
31.6.该系统标刻的效果具有永久性，不会因触摸、高低温、酸碱性等环境关系而消退。
32.7.该系统标刻效果是激光和材料表面直接作用成型，无需辅助物料等耗材，标刻效果质量好、分辨率高，均匀性高，速度快，满足节能环保的要求，良率高。
附图说明：
33.图1为本发明一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统中不锈钢水杯打标系统侧面结构示意图；
34.图2为本发明一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统中不锈钢水杯打标系统正面结构示意图；
35.图3为本发明一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统中不锈钢水杯固定模块的结构示意图；
36.图4为本发明一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统的激光工作原理图；
37.图5为本发明一种绿光超快激光不锈钢表面灰度打标系统不锈钢圆片打标效果照片；
38.图6为本发明一种绿光超快激光不锈钢表面灰度打标系统不锈钢水杯打标效果照片；
39.其中：1-工作台，2-第一滑块，3-第一滑轨，4-第一驱动，5-不锈钢水杯固定模块，51-固定块，52-转动驱动机构，53-固定筒，54-中心轴，55-弹性探头，56-弹性连接件；6
–
不锈钢水杯，7-光学系统，71-红外超快激光器，72-整形光路，73-光束传输光路，74-光路，75-振镜，76-场镜，77-反射镜对，78-单反射镜，8-激光振镜打标头，9-立柱，10-固定架，11-横梁，12-控制器，13-x轴移动机构，14-龙门架，15-激光器与控制器承载箱。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统进一步解释而本发明并不局限于以下实施例。
41.本发明提供的红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统，所述系统包括工作台1、光学系统7和控制器12；光学系统7包括红外超快激光器71、光路74和激光振镜打标头8，所述光路74包括整形光路72和光束传输光路73，所述激光振镜打标头8中设有振镜75和场镜76；工作台1上设有x轴移动机构13,x轴移动机构13上设置激光振镜打标头8，用于驱动激光振镜打标头8沿x轴移动；激光振镜打标头8下方的工作台1上设有不锈钢固定模块5。(参见图4)
42.所述激光器71为能够发射锁频均匀能量单脉冲的红外超快激光器；所述激光器的发射频率为10khz-1000khz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为10-1000uj，所述单脉冲间能量差异≤
±
5％，所述单脉冲宽度为1-15ps；所述激光脉冲峰值单脉冲能量为固定值；所述峰值单脉冲能量当量为5％-95％之间的任一固定值。
43.所述整形光路72为放大倍率1-8倍的扩束光路；所述光束传输光路73为传输距离100-1000mm的传输光路；所述振镜75转速为1000-50000转/秒；所述场镜76是f-θ场镜或远心场镜，焦距为50-500mm。
44.所述激光器71为全固态皮秒激光器，所述激光波长为1064
±
5nm。
45.所述x轴移动机构13包括龙门架14和设于工作台两侧的第一滑轨3；
46.其中，两侧的所述第一滑轨3内均设有第一滑块2，所述龙门架14的两个立柱9的底端分别连接于两侧的所述第一滑块2上，所述工作台的两侧还分别设有第一驱动4，两个所述第一驱动4分别用于驱动相应侧的第一滑块2沿相应第一滑轨3移动。
47.所述激光振镜打标头8设于龙门架的横梁11上，所述激光振镜打标头8可沿龙门架的横梁11移动。
48.实施例1
49.本实施例为本发明红外超快激光不锈钢表面灰度打标系统中对不锈钢水杯打标的实例，其具体结构如下所述：
50.包括工作台1和激光器71，激光器71为全固态皮秒激光器；
51.工作台1上设有x轴移动机构13,x轴移动机构13包括龙门架14和设于工作台1两侧的第一滑轨3；两侧的第一滑轨3内均设有第一滑块2，龙门架14的两个立柱9的底端分别连接于两侧的第一滑块2上，工作台1的两侧还分别设有第一驱动4，两个第一驱动4分别用于驱动相应侧的第一滑块2沿相应第一滑轨3移动，实现x轴移动；激光振镜打标头8设于龙门架的横梁11的固定架10上；(参见图1、图2)
52.激光振镜打标头8下方的工作台1上设有不锈钢水杯固定模块5；不锈钢水杯固定模块5包括固定块51，固定块51设于工作台1上，固定块51上设有转动驱动机构52，转动驱动机构52上设有固定手臂，固定手臂上固定不锈钢水杯6；转动驱动机构52能够驱动不锈钢水杯6在与x轴垂直的竖直面内转动；固定手臂包括水平设置的固定筒53，固定筒53的一端连接于转动驱动机构52上，固定筒53的内部设有中心轴54，中心轴54沿圆周阵列分布有弹性探头55，弹性探头55通过弹性连接件56连接于中心轴54上，每个弹性探头55对应的固定筒53处均设有通孔，弹性探头55在弹性连接件56的作用下通过通孔伸出至固定筒53的外侧；弹性探头55为半球形，弹性探头55的圆形平面侧固定于弹性连接件56上，弹性探头55的圆形平面的直径大于通孔的直径；所述中心轴和固定筒整体可从固定块中伸缩。单脉冲为单脉冲光子尖峰波。(参见图3)
53.其中，全固态皮秒激光器71通过控制器12控制发射激光，经放大倍率为6倍的扩束光路(整形光路)72和传输距离为1000mm光束传输光路73(光束传输光路包括反射镜对73和单反射镜74，单反射镜74用于改变光束方向)后进入振镜75和场镜76，振镜转速为5000转/秒。场镜76为f-θ场镜，焦距为100mm；再通过激光振镜打标头8对不锈钢水杯6进行打标。
54.上述装置的工作步骤如下所述：
55.1)将不锈钢水杯6套在固定筒53上，固定筒53上的弹性探头55伸出顶紧不锈钢水杯6的内侧，从而固定不锈钢水杯6；
56.2)设置激光器71参数；激光器71能够发射锁频均匀能量单脉冲的红外超快激光器；发射频率为200khz；单脉冲宽度为10ps，所述激光脉冲打标峰值单脉冲能量精确固定为10uj，单脉冲能量的一致性为≤
±
5％；通过振镜控制软件完成峰值单脉冲能量当量的精确
编辑，来控制相应的出光状态均匀光子峰值单脉冲能量当量，设定为50％。单脉冲为单脉冲光子尖峰波。激光波长为1064
±
5nm。激光器窗口光斑为1mm，发散角为1mrad。形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为15um。
57.3)设置第一驱动4和转动驱动机构5的移动路径，激光振镜打标头8和不锈钢水杯6分别在第一驱动4和转动驱动机构5的驱动下移动打标。
58.打标效果参见图6。
59.实施例2
60.与实施例1基本相同，所不同之处在于，在不锈钢圆片工件上打标，打标效果参见图5。
61.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。