专利名称：高重频调制多脉冲yag激光刻花系统及加工方法
技术领域：
本发明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，本发明提出了
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。
本发明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。
本发明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。
本发明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)。
本发明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，本发明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，本发明引入如图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，本发明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，本发明采用了一种轻调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，本发明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，本发明的斜角侧吹方法，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发明进行详细说明图1是本发明结构方框图。
图2是本发明实施例结构示意图。
图3是本发明激光脉冲编组时序图。
图4是本发明激光脉冲编组电路原理图。
图5是本发明斜角侧吹气加工方法示意图。
图6是本发明偏心和倾斜加工方法示意图。
图7是本发明的轧辊双向刻蚀加工方法示意图。
本发明的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。
本发明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。
本发明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，其中A为脉冲发生电路，B，C为分频电路。脉冲发生电路A产生频率f的脉冲序列，如图3的A3所示。改变电路中R1，C1的大小可以调节脉冲频率f的变化。本发明的f调节范围为0.5-20KHz。经A3端输出的脉冲序列通过倒相器后由B2端进入分频电路B，其输出信号由图3的B3所示，改变电路中的R2与C2的大小，即改变图3所示的脉宽t1的大小。经B3端输出的分频脉冲信号由C2端进入分频电路C，其输出信号由图3的C3所示。脉冲宽度t2的变化由R3，C3所决定。由C3端输出的脉冲经倒相器后如图3的C3所示，在和A3端输出的脉冲信号相“与”后输出的信号即为所需的分组脉冲信号，如图3的OUT所示。其中R1、C1，R2、C2，R3、C3的改变可以控制3个重要的参数变化，即脉冲频率f，每一脉冲组中的脉冲个数N(由t1决定)以及脉冲组之间的组频率大小(由t1+t2决定)。Vcc为所加的电源电压。经与门D输出的分组脉冲信号直接连入声光调制器的高频振荡电源，从而实现对激光脉冲频率的编组控制。
所述控制与显示系统，如图2所示，包括微机15及其输入和输出设备，微机15接有图像处理装置14，图像采集器13读入欲加工的图形12，并将其送至图像处理装置14，经程序处理后，由微机15将控制命令送至激光器和机床的控制装置，使其按预定的程序工作;同时，微机15也可将输出送至显示器17或绘图仪16予以显示和绘出图形。上述系统的各个装置均置于工作台20上;装设在聚焦头支架23上的图像接收器6接收经聚焦头4和分束器3及光学成像装置而成的加工点的显微图像，并将其送至监视器7显示，以对加工过程进行实时监控。
所述激光加工机床部分，如图2所示，包括机床电源及驱动控制箱25，机床加工台27，沿X，Y轴相互垂直的导轨21和22;导轨22通过支架20架设在导轨21上，并可沿其作X轴向移动，聚焦头支架23设置在导轨22上，可载带聚焦头4沿其作Y轴向移动，同时，聚焦头4还可在Z轴方向作上下移动。工作台27上装有工件夹具(图中未示出)，可将平面工件28固定其上，机床的驱动机构在微机15的命令下使导轨22、聚焦头支架23作二维运动，从而可在平面工件28上刻制出前述图形11所示的图案。
所述工作台27上还可装设轴辊类工件夹具(图中未示出)，所夹持的轴辊工件绕其轴线旋转，同时，聚焦头4沿导轨21或22顺工件轴线作一维运动，二者在微机控制下共同完成二维图形的加工。
机床上还装设有辅助吹气装置30，其喷咀的设置可以和传统方法一样，形成同轴吹气(气流与光束同轴)，也可以如本发明所设计的，设置在光束侧旁与光束成一夹角形成斜角侧吹气，如图5所示，对于辊类工件的加工，还可以调节聚焦头4偏离工件轴线，使激光束与加工点处的法线成一角度，形成偏心加工方式，见图6C。
另外，在进行轧辊的激光毛化时，在微机15的控制下，还可进行在同一轧辊工件上沿两条相反方向螺旋轨迹双向刻蚀加工，如图7所示，以解决轧辊在轧板过程中的轴向移动问题，使轧辊两端支承机构受力平衡，减少辊轴两端止推轴承的磨损。
具有上述结构的本发明激光刻花系统及其加工方法，在激光加工领域已显示出其突出效果。采用激光轧辊刻花技术制做的激光毛化钢板已被证明是一种具有高质量表面性能的钢板，该钢板在国外已开始应用于豪华轿车等工业的生产，极大地改善了深冲性，成形性，涂镀附着性以及涂漆光亮度，被国外视为“镜面钢板”。本发明在冷轧辊激光毛化方面获得应用，采用本发明的系统和方法制作的毛化冷轧辊已在首钢带钢厂和秦皇岛龙腾带钢有限公司分别进行了试验和生产轧制，无论轧辊还是钢板，其质量均已达到或接近国外激光毛化轧辊和钢板的水平。采用本发明毛化的轧辊其轧制寿命明显高于光辊，是传统轧辊的两倍以上。由于采用本发明毛化的轧辊在轧制时没有发现传统的打滑，粘带和断带现象，可加大压下量，提高轧制速度，这显然有利于提高轧机产量和利用率。其轧制后的钢板表面质量与传统方法比较有明显改善，所轧带钢经退火热处理均未见粘卷现象，对该毛化钢板的成形，涂漆和力学试验表明，其性能较传统钢板有较大幅度的提高。
在花纹轧辊的雕刻方面，采用本发明制作的轧辊已开始成功地应用于双金属板的轧制，对于平面图形的雕刻，采用本发明的系统和方法已成功地刻出多块图案金属板。
权利要求
1.一种激光刻花系统，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。
2.如权利要求1所述的激光刻花系统，其特征在于所述显示系统还包括成像装置5，CCD摄像头6、显示器7，加工点的图像经所述聚焦头4及分束器3映射到成像装置5，经摄像头6送到显示器7，以随时监视加工情况。
3.如权利要求2所述的激光刻花系统，其特征在于所述控制与显示部分包括微机15，内有图像处理装置14，接有图象采集器13;微机15的输出接有显示器17和绘图仪16以显示所采集的预定加工图形;微机15控制机床驱动机构18按预定图形进行加工。
4.如权利要求3所述的激光刻花系统，其特征在于所述机床部分的机架包括两相互垂直的导轨21和22，导轨22通过支架装设在导轨21上，并可沿其移动聚焦头支架23设置在导轨22上，可载带聚焦头4沿导轨22移动，导轨支架20和聚焦头支架23的移动由驱动机构18驱动。机床工作台27上设有可安装平面工件或轴类工件的卡具，驱动机构可带动平面工件平移、倾斜，或带动轴辊类工件转动。
5.如权利要求4所述的激光刻花系统，其特征在于所述激光采用光导纤维传输。
6.如权利要求1、5所述的激光刻花系统，其特征在于辅助吹气装置的喷咀装设在激光束侧旁与其成一角度，以进行斜角侧吹式加工。
7.一种激光刻花加工方法，将激光光束聚焦于工件的加工表面，根据预定图形使聚焦点相对于工件做二维运动，在工件上刻蚀出该预定图形，其特征在于对YAG激光器进行声光调Q，调制频率为0.5-20KHz;对激光器进行轻调Q，使脉冲激光与连续激光同时输出;所述激光脉冲以编组形式输出，在脉冲周期T内的激光输出时间t1内，为多个脉冲组成的脉冲组输出;与激光刻蚀同时，用辅助气体对加工点吹气。
8.如权利要求7所述的激光刻花加工方法，其特征在于所述辅助气体从光束旁与光束成一角度向加工点进行斜角侧吹气。
9.如权利要求7、8所述的激光刻花加工方法，其特征在于加工轴辊类工件时，可调节聚焦头4的位置使其偏离轴辊类工件中心，以进行偏心式加工。
10.如权利要求9所述的激光刻花加工方法，其特征在于在同一轧辊工件上沿两条方向相反的螺旋轨迹进行双向刻蚀加工。
全文摘要
本发明的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。
文档编号B23K26/00GK1075278SQ9211322
公开日1993年8月18日 申请日期1992年11月27日 优先权日1992年11月27日
发明者杨明江, 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