CN100591456C - 一种基于微纳激光冲击波三维无损标识的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于微纳激光冲击波三维无损标识的方法和装置，涉及机械制造及激光器件领域，将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，基于微纳米量级的激光冲击光斑，利用计算机编程控制的轨迹多次冲击形成所需的标记，并具有标识信息获取和识别转换功能，本发明通过采用可编程控制的激光冲击轨迹和微纳米量级的激光光斑冲击的激光参数的控制，实现激光冲击波打标的三维高防伪性，以及激光冲击波打标的无损性。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造及激光器件领域，特指一种基于微纳激光冲击波三维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。
激光冲击力学效应的打标具有无损的特性，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 Number：Wo0161619，2001-08-23)，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。
国内本课题2005年申请的“激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置(申请号：200510037968.2)”发明专利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。
上述专利由于脉冲激光的空间分布不均匀、液晶的吸收光谱、液晶本身所具有的灰度、等离子体爆炸的方向性以及微纳米量级的激光衍射等因素，给精确的三维打标带来了较大的困难。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于微纳米量级光斑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，可通过改变激光脉冲能量、冲击路径以及不同规格的柔性贴膜，来获取不同深度的微凹坑(塑性变形)，并在标记区形成残余压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激光器、光束空间调制器、工件夹具系统、计算机控制系统、CCD标识信息获取装置和识别转换系统，其特征在于：计算机控制系统分别控制激光发生器、工件夹具系统和CCD标识信息获取装置，工件夹具系统包括覆盖吸收层的工件、工件夹具、工作台。
其中该吸收层可以是由两组不同组份的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)，也可以是铝箔。
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，基于微纳米量级的激光冲击光斑，利用计算机编程控制的轨迹多次冲击形成所需的标记，并具有标识信息获取和识别转换功能，具体实施过程如下：
(1)根据标识的标记区尺寸、图案和材料要求，选择约束层，约束层可以为K9玻璃或者水幕；利用计算机编程控制形成与标识相符的激光冲击的轨迹；
(2)根据图案的复杂程度和塑性变形的深浅，选择激光冲击的脉冲能量、脉冲宽度、冲击次数以及激光冲击轨迹；激光发生器产生能量在100-500μJ、持续时间为10-50ns的激光脉冲，冲击次数1～100次，激光束的光斑模式可以是基模或多模；激光束汇聚在工件表面的吸收层上；吸收层表层汽化、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；由于每一点的激光冲击能量、脉冲宽度、冲击次数不同，材料塑性变形量不同，从而得到深度不同的微凹坑，形成三维的标记。
(3)提取激光冲击微凹坑的深度信息、凹坑的大小作为三维标识的编码和识别特征。
(4)通过在CCD标识信息获取装置和识别转换系统，测量图案的变形量及误差，根据反馈的信息实现对零件的在线再加工和修改，制造和预定要求一致的标识。
本发明的优点是：
1.通过采用可编程控制的激光冲击轨迹和微纳米量级的激光光斑冲击的激光参数的控制，实现激光冲击波打标的三维高防伪性。
在本发明中，采用可编程控制技术来控制激光冲击的轨迹，且通过计算机控制，并根据图案的复杂程度和塑性变形的深浅，决定激光冲击的参数(脉冲能量、脉冲宽度以及冲击次数)。
2.通过在金属零件表面覆盖约束层，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。由于该约束层起到两个作用：(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。
3.提取激光冲击微凹坑的深度信息、凹坑的大小作为三维标识的编码和识别特征。根据反馈的信息实现对零件的在线再加工和修改，制造和预定要求一致的标识。
附图说明
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.计算机控制系统 2.激光发生器 3.光束空间调制器 4.约束层 5.吸收层 6.零件 7.五轴工作台 8.CCD标识信息获取装置 9.识别转换系统
图2为激光冲击黄铜形成的微凹坑阵列。脉冲能量为240uJ、波长为355nm，光斑直径12um，脉宽为50ns，重复率为1KHz，两个冲击点的间距为50um，每点冲击两次形成的为凹坑阵列，微凹坑的深度为20um。
图3为激光冲击黄铜形成的二维标识。脉冲能量为240uJ、波长为355nm，光斑直径12um，脉宽为50ns，重复率为1KHz，两个冲击点的间距为50um，每点冲击两次形成的为凹坑阵列，微凹坑的深度为20um。
图4为激光冲击黄铜形成的三维标识的示意图。图4中由4个不同深度(比如5um、10um、15um和20um)的微凹坑形成的三维标识。标识的截面面积为50um×50um，根据标识的每一点的深度确定冲击的能量和冲击的次数(比如5um的为凹坑需要脉冲能量为240uJ、波长为355nm，光斑直径12um，脉宽为50ns的激光冲击两次)。
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。
该装置包括计算机控制系统1、激光发生器2、光束空间调制器3、约束层4、吸收层5、零件6、五轴工作台(含夹具)7、CCD标识信息获取装置8和识别转换系统9，空间调制器由凹透镜、凸透镜及均质器等组成。
根据零件6的标记区尺寸、图案和材料，选择约束层4，并将吸收层贴在零件6表面；根据标识的要求，采用可编程控制技术来控制激光冲击的轨迹，且通过计算机控制，并根据图案的复杂程度和塑性变形的深浅，选择激光冲击的脉冲能量、脉冲宽度、冲击次数以及激光冲击轨迹；激光发生器产生能量在100-500μJ、持续时间为10-50ns的激光脉冲，冲击次数1～100次，激光束的光斑模式可以是基模或多模。
由激光发生器2产生的激光束经导光系统进入光束空间调制器3，光束经过均质后形成较均匀空间能量分布。辐射在到零件6表面的吸收层上，产生冲击波作用力，形成微凹坑。根据预定的标识的信息，确定每一次冲击的脉冲能量、光斑大小、脉宽、冲击次数以及五轴工作台(含夹具)7的行走轨迹，多点冲击形成能够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CCD标识信息获取装置8和识别转换系统9，测量图案的变形量及误差，反馈到计算机控制系统1，根据反馈的信息实现对零件6的再加工和修改，制造和预定要求一致的标识。
Claims (3)
1、一种基于微纳激光冲击波三维无损标识的方法，其特征在于：将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，基于微纳米量级的激光冲击光斑，利用计算机编程控制的轨迹多次冲击形成所需的标记，并具有标识信息获取和识别转换功能，具体实施过程如下：
根据标识的标记区尺寸、图案和材料要求，选择约束层；利用计算机编程控制形成与标识相符的激光冲击的轨迹；
(2)根据图案的复杂程度和塑性变形的深浅，选择激光冲击的脉冲能量、脉冲宽度、冲击次数以及激光冲击轨迹；激光发生器产生能量在100-500μJ、持续时间为10-50ns的激光脉冲，冲击次数1～100次，激光束的光斑模式可以是基模或多模；激光束汇聚在工件表面的吸收层上；吸收层表层汽化、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；由于每一点的激光冲击能量、脉冲宽度、冲击次数不同，材料塑性变形量不同，从而得到深度不同的微凹坑，形成三维的标记；
(3)提取激光冲击微凹坑的深度信息、凹坑的大小作为三维标识的编码和识别特征；
(4)通过在CCD标识信息获取装置和识别转换系统，测量图案的变形量及误差，根据反馈的信息实现对零件的在线再加工和修改，制造和预定要求一致的标识。
2、根据权利要求1所述的一种基于微纳激光冲击波三维无损标识的方法，其特征在于：约束层为K9玻璃或者水幕。
3、一种实施如权利要求1所述的基于微纳激光冲击波三维无损标识的方法的装置，包括激光器、光束空间调制器、工件夹具系统、计算机控制系统、CCD标识信息获取装置和识别转换系统，其特征在于：计算机控制系统分别控制激光发生器、工件夹具系统和CCD标识信息获取装置，工件夹具系统包括覆盖吸收层的工件、工件夹具、工作台。
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