CN101157159A - 基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光冲击波力学效应的阵列式激光冲击方法和装置，涉及激光加工技术领域，其特征在于：将激光发生器阵列发出的激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，激光发生器控制系统同时控制每个激光发生器的相关参数，进行冲击形成所需的标记，无需掩膜，本发明通过控制激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及不同规格的柔性贴膜，将不同作用条件下的标识按照一定的编码规则进行组合，可以在工件表面标记出立体图形标识。不需要制作掩模，生产周期降低。

Description

基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法和装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特指一种基于激光冲击波力学效应的阵列式激光冲击方法和装置，它能用于组合激光冲击波标记形成不同的三维标识，有效提高标记效率。

背景技术

现代制造也对零部件的标记和识辨提出了越来越高的要求，一方面标识本身必须有较高的防伪性能，能有效地识辨零件，另一方面标识必须不影响零件的使用寿命。目前的激光标记技术主要运用激光热效应，在零件表面直接烧蚀形成标记图案。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。由此，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，PatentNumber：Wo0161619，2001-08-23)，也是利用激光冲击波力效应的无损打标。但由于采用了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。

随后，江苏大学激光技术研究所张永康和殷苏民等人申报了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(激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置[P]，专利申请号：200510037968.2，申请人：江苏大学，申请日：2005.3.4)，它将激光冲击波对材料的无损性与液晶掩膜灰度的可控性结合起来，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。但由于有机材料本身对激光吸收率较高，同时液晶的损坏阈值较低，实际操作中很容易破坏液晶，很难获得较好的效果。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法和装置。利用激光诱导的高幅冲击波力学效应，使金属零件发生塑性变形。这一过程中成形压力高达GPa量级，应变率高达10⁷S^-1，能有效改变冲击区域的残余应力状况，获得较低的表面粗糙度，提高标记区域的硬度等。它通过控制激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及不同规格的柔性贴膜，将不同作用条件下的标识按照一定的编码规则进行组合，可以在工件表面标记出立体图形标识。不需要制作掩模，生产周期降低。

实施该方法的装置包括控制系统、光束空间调制系统、工件夹具系统，其特征在于：设有标识特征采集系统、激光发生器阵列，控制系统控制激光发生器阵列、工件夹具系统和标识特征采集系统；工件夹具系统包括覆盖柔性贴膜的工件、工件夹具、工作台。

标识特征采集系统主要包括计算机，激光参数将作为标识特征的一部分被标识特征采集系统收集起来；光束空间调制系统主要起匀光和调焦作用，由几组透镜组成，光束由激光发生器阵列发出后经过光束空间调制系统，可得到空间分布均匀、光斑尺寸适中的一组光束；这组光束作用于工件后即可形成深浅不同的标记，随着工件不断沿既定方向移动，即可形成按一定编码方式的标识。

基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法，其特征在于：将激光发生器阵列发出的激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，激光发生器控制系统同时控制每个激光发生器的相关参数，进行冲击形成所需的标记，无需掩膜，其实施过程如下：

(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)根据零件标记的形状和尺寸，设定激光发生器阵列的相关参数，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；激光束经光束空间调制系统均匀化调制，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，工件夹具系统控制工件的位置，每个脉冲作用后，调整每个激光发生器的参数，按既定的轨迹移动工件的位置，从而形成三维标记；

(3)记录过程中每个激光脉冲对应的激光发生器的相关参数、激光发生器的排列方式等作为标识特征的一部分被标识采集系统收集起来，作为识辨标识的重要依据。

本发明的优点在于：

(1)将不同条件下的单点标识按照一定的编码规则进行组合，可以在工件表面标记出立体图形标识。同时不需要制作掩模，生产周期降低，有较高的应用价值。

(2)由于使用激光发生器控制系统控制激光发生器阵列，光束强弱分布随时变换，标识采集系统在线采集标识特征，通过标识采集系统采集的标识特征就可快速地识辨，具备了较高的防伪性。

由于不同激光参数下的激光脉冲作用于工件表面时，会在工件表面形成不同深度的图案。通过激光发生器控制系统和工作台控制系统的精确控制，可以将这些图案按照预定的方式组合起来，形成了三维标识。由于激光冲击能在零件表面产生一定的残余压应力，并提高标记区域的表面粗糙度和硬度，因此有效提高零件的疲劳寿命。因此激光冲击波标识不仅不影响零件的使用，而且能提高工件的疲劳寿命，是一种新型的无损标识。此外，该系统还可以大面积的激光冲击强化。

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.激光发生器电源  2.激光发生器阵列  3.光束空间调制系统  4.覆盖柔性贴膜的工件  5.工件夹具  6.工作台  7.激光发生器器控制系统8.标识特征采集系统  9.三维标识

图2是三维标识示意图，其中激光发生器阵列颜色深浅表示不同的激光能量密度，与之相对应的是标记区域的不同深度。

具体实施方式

下面结合图1、2详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

由图1，该装置包括激光发生器电源1、激光发生器阵列2、光束空间调制系统3、覆盖柔性贴膜的工件4、工件夹具5、工作台6、激光发生器器控制系统7、标识特征采集系统8组成。

根据零件的标记区尺寸和材料，选择特定的吸收层，起到增强冲击波作用效果与保护被标记工件的作用。根据零件标记的形状和尺寸，制定工艺方案，对激光发生器进行一定的排列，设定激光发生器的相关参数，包括激光脉冲能量、光斑直径、脉宽以及光束的空间分布，对于标记图案较深的地方可以采取重复冲击的办法。按照标记的形状，用工作台控制系统控制工件的位置，每个脉冲作用后按既定的轨迹移动工件的位置。标记过程中每个激光脉冲对应的激光发生器的相关参数、激光发生器的排列方式等作为标识特征的一部分被标识采集系统收集起来。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。经过设定相关参数后，不同能量密度的激光脉冲有激光发生器阵列发出，经过光束空间调制系统后，形成均匀的空间能量分布，作用到工件表面的柔性贴膜上，由于能量密度不同，产生的激光冲击波压力也不同，在工件表面形成深浅不同的三维标识。工作台控制装置控制工件夹具沿一定轨迹移动，见图2，最终形成了有较高防伪性能的三维无损防伪标识。

Claims (2)

1.一种基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记装置，包括控制系统、光束空间调制系统、工件夹具系统，其特征在于：设有标识特征采集系统、激光发生器阵列，控制系统控制激光发生器阵列、工件夹具系统和标识特征采集系统；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.实现基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法，其特征在于：将激光发生器阵列发出的激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，激光发生器控制系统同时控制每个激光发生器的相关参数，进行冲击形成所需的标记，无需掩膜，其实施过程如下：

(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)根据零件标记的形状和尺寸，设定激光发生器阵列的相关参数，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；激光束经光束空间调制系统均匀化调制，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，工件夹具系统控制工件的位置，每个脉冲作用后，调整每个激光发生器的参数，按既定的轨迹移动工件的位置，从而形成三维标记；

(3)记录过程中每个激光脉冲对应的激光发生器的相关参数、激光发生器的排列方式等作为标识特征的一部分被标识采集系统收集起来，作为识辨标识的重要依据。

Images