CN101332728A - 压印式激光打标方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压印式激光打标方法，是将脉冲激光3作用于板材5表面，通过微量烧蚀，在板材表面产生等离子体云6，等离子体云6进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等离子体云6在有机玻璃4的约束下，产生面向板材5的冲击力，导致板材5的局部塑性变形，从而打上标记7。本发明还公开了实现压印式激光打标方法的装置，由控制系统1、激光发生器2、双悬臂运动机构8构成，激光发生器2和双悬臂运动机构8均由控制系统1控制。两个悬臂在两个扇形面内的摆动，使激光束与板材产生任意的相对运动。通过这种方法，可以在金属及合金材料上打标，可以打印点标或线标，也可以打印凸标或凹标，应用领域非常广泛。
Description
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及一种压印式激光打标方法及实现该方法的专用装置。
背景技术
最常见的打标方法是气动打标和压印式打标。前者是通过打印针在X/Y平面内按设定的轨迹运动，同时打印针在压缩空气作用下作Z向高频微冲击运动，从而在工件表面上打印出由密集点阵组成的凹形标记。该方法成本低，但有振动和噪音，容易飞溅金属粉尘，打印稳定性较差，字符圆滑度较低，只能打印凹形标记。后者是由凸凹字模在板材上下对压而形成标记，压印字符的效果是凸起的，也可以是下凹的。受字模的限制，主要适合于数字、字母、符号的打印。近年来，针式划刻打标机采用气动划刻方式代替气动高频微冲击点阵打印，大大降低了工作时的打印噪音，打印时无飞溅金属粉尘，但仍不能用于需要凸形标记的场合。
目前国际流行的最为先进的打标模式是激光打标，是将高能量密度的激光束在计算机的控制下，照射到需要打标的产品表面，使产品表面瞬间熔化或汽化，从而在产品表面标刻出需要的文字或图案标识。该方法属非接触式热加工方式，具有标记牢固、标记内容广、效率高、洁净、无须制版等特点。由于通过激光烧蚀出凹坑，所以打印的是肤浅的凹形标记，并且总会产生或大或小的热影响区，激光所烧蚀的凹坑有时还会萌生裂纹。
因剧烈的热效应而导致的熔化和气化，是激光作用于材料时最常见的现象。但在1960年，人们发现，当激光脉冲的功率密度足够高时，在材料上空会激发等离子体，并向光源移动成为光致波。等离子体进一步吸收激光能量，发生急剧膨胀并对材料表面产生压力，在材料内部则产生高速冲击波。冲击力足够大时，能使材料产生高密度位错和塑性变形，严重时甚至产生剥落破坏。不同材料，具有不同的功率密度阈值，超过该值，能够产生冲击力，低于该值，激光对材料只有热效应，而没有明显的冲击力效应。1970年，人们又发现，如在材料表面覆以对激光透明的物质，所产生的冲击力可以大大增加。
美国专利文件US2007/0039933A1公开了“System and Method of Laser DynamicForming”(申请号为11/507064)，用两束激光照射材料表面，其中一束用于加热，另一束脉冲激光照射板材表面的涂层后，使涂层气化电离并形成冲击波而压向板材，借助于成形凹模的作用，最终得到与凹模形状一致的工件。该专利技术提供了一种由激光诱发的、类似于冲压成形的塑性成形方法，由于要借助于凹模来成形，所以并不适用于图案形状多变的打标过程。中国专利文件CN100999038A公开了“基于液晶掩模的激光冲击薄板无模成形方法和装置”(申请号：200610161354.X)，它利用液晶掩模各点的灰度来调整激光空间的能量分布，使通过液晶屏的激光束成为与液晶屏图像成反转关系的镂空图形光斑，以此控制光斑上各点的激光功率密度，以激光诱导的冲击波力作为成形力源，使金属薄板按既定的形状进行成形。该方法在大光斑一次成形比较简单的形状时，具有效率高的优势，但由于激光能量要分布在比较大的区域内，所以对激光器和激光功率的要求非常高。另外，由于塑性成形工艺本身和金属流动的复杂性，要成形的形状并不与镂空的图形光斑的形状一致，工艺控制非常困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种将脉冲激光作为打标工具，通过塑性变形方式在板材上进行打标的方法。本发明还提供了实现该方法的装置。
本发明压印式激光打标方法，是将脉冲激光3作用于板材5表面，通过板材表层的烧蚀、气化和电离，在板材表面产生等离子体云6，等离子体云6进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等离子体云6在有机玻璃4的约束下，产生面向板材5的冲击力，导致板材5的局部塑性变形，从而打上标记7。
在优选的方案中，所述板材5的厚度为0.01～0.6mm，所述有机玻璃4的厚度为0.5～2.5mm。
这种打标方法的本质，是利用激光作用于材料表面时，形成的等离体爆炸所产生的冲击力而引起的局部微小塑性变形。众所周知，激光与物质相互作用时，当激光的功率密度(单位面积上的功率值)达到一定值时，能够产生等离体子爆炸并导致冲击力，低于该值时，则不会产生明显的冲击力，这个功率密度的门坎值称为点火阈值强度。该阈值强度与激光的波长和脉冲宽度有关，在一定范围内，脉冲宽度越宽则阈值越低。如果激光的功率密度小于被加工材料的阈值强度，则不能产生变形所需的足够的冲击力。如波长为1.06μm和10.6μm的激光的阈值强度大致分别为108～109W/cm2和107W/cm2。不同材料也对应不同的阈值强度，例如波长为10.6μm的激光对铝箔、铜板、钛板、聚四氟乙烯产生爆轰波的阈值强度大致分别为1.2×107W/cm2、2.75×107W/cm2、2.3×107W/cm2、2.8×107W/cm2，所对应的激光能量密度分别为84.0J/cm2、191.0J/cm2、160.1J/cm2、195.2J/cm2。根据不同的材料可以参照以上参数进行具体工艺条件的设定。光致等离子体是由材料表面的烧蚀、气化、电离形成的。通常，烧蚀深度可以控制在微米级，等离子体爆炸所产生的冲击力约为1～10GPa。
本发明实现压印式激光打标方法的装置，由控制系统1、激光发生器2、双悬臂运动机构8构成，其特征在于，所述激光发生器2和双悬臂运动机构8均由控制系统1控制。所述双悬臂运动机构8包括机架8.1、后悬臂8.3、前悬臂8.5、旋转轴8.8、8.10、伺服电机8.2、8.4、键8.7、8.9和夹紧螺钉8.6，所述后悬臂8.3通过旋转轴8.10固定在机架8.1上。所述前悬臂8.5和后悬臂8.3在两个扇形面内摆动，使激光束3与板材5产生任意的相对运动，从而使板材5打上点标记、线标记或者图案。
本发明的压印式激光打标方法，是一种将脉冲激光作用于板材形成柔性冲头，在冲击力的作用下，使板材局部产生塑性变形，朝向激光束的一面产生凹坑，而背向激光束的一面则产生凸起，从而为板材打上标记的方法，特别适合于有立体感的二维码打标。
所述压印式激光打标方法的优选方案是，将脉冲激光作用于板材表面，通过对板材表层(通常是氧化层)的烧蚀、气化和电离，在板材表面产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等离子体云在有机玻璃的约束下，产生面向板材的冲击力，其作用相当于柔性冲头，并最终导致板材的局部塑性变形，并在板材上形成标记。双悬臂运动机构端部的夹持器夹持着板材及有机玻璃按预定轨迹运动，从而打上点标记、线标记或者图案。
实现压印式激光打标方法的专用装置，由激光发生器、控制系统、双悬臂运动机构组成。双悬臂运动机构包括两个旋转轴和分别绕这两轴旋转的两个运动悬臂----后悬臂和前悬臂，两个运动悬臂的旋转运动分别由两个伺服电机进行驱动，伺服电机的运动通过控制系统来控制。两个悬臂的旋转运动进行插补，使前悬臂的未端可以到达任意位置。有机玻璃与板材重叠在一起，并通过夹持器固定在前悬臂的未端部位，所以板材的任何位置都可以到达激光束下，以接受激光冲击。
激光发生器发出的激光束，经过调焦聚焦后照射在板材上。与激光有关的工艺参数，包括激光能量，光斑直径、脉冲宽度、脉冲次数由控制系统来调节。调节这些工艺参数，可以调整冲击压力，并以此调整凹坑半径以及凹坑深度的大小。双悬臂运动机构通过两个悬臂的插补运动，使冲击点连续分布或点断分布，以形成所要求的形状和大小的图案。
由以上描述可以看出，本发明的压印式激光打标方法及装置的重要技术特征在于：是一种在板材上进行打标的方法；用塑性变形的方法进行标记；通过脉冲激光产生塑性变形；通过双悬臂运动机构使板材与激光束产生相对移动，从而得到不同标记图案。
本发明的技术方法非常适合于加工钢、铝、铜等金属及合金材料。对于金属材料，如铝，采用波长为10.6μm的激光照射时，较理想的功率密度值大致为5GW/cm2，该值大于铝材的点火阈值强度。采用脉冲宽度为20ns、功率密度为6GW/cm2、光斑直径为1mm、波长为0.248μm的准分子激光，照射厚度为0.05mm铝板时，一个脉冲所形成的凹坑深度约为200μm。
所述压印式激光打标过程是高应率局部冷成形过程，其原因在于：当激光照射并在材料表面形成等离体云时，等离子体云极易吸收激光能量，从而屏蔽了大量的激光能量，使其不能到达板材表面；再者，在单脉冲激光冲击时，激光对材料的作用时间大约是脉冲宽度的2～3倍，即脉冲宽度为20ns时，作用时间约为50ns，在如此短的时间内，材料不会产生明显温升；在几十纳秒中发生的塑性变形，其应变率可达105s-1，如果控制得当，变形仅发生成光斑下的区域，对光斑外的区域几乎没有影响，所以属局部塑性成形，虽然不用模具，但能保证轮廓精度；另外，由于惯性效应和率相关的材料本构行为的变化，与准静态成形相比，材料的成形极限明显提高，可以对常规下的难变形材料进行加工。
因此，本发明的技术优势可以概括为：
(1)是利用等离子体爆炸诱发的力效应而非热效应进行成形，属非接触式冷加工过程，没有明显的热影响区，标记图案质量高；
(2)可以打凹形标记，也可以打凸形标记；
(3)属高应变率变形过程，可用于常规方法难变形材料的打标；
(4)调整激光参数，便可调整冲击点的大小和深度，加工柔性大；
(5)综合了激光刻蚀的洁净、气动打标通过多点冲击形成复杂图案、压印式打标形成立体图案等特点，并且继承了激光冲击强化的优点，工件性能好；
(6)双悬臂运动机构比普通的X/Y式运动装置简单很多，加工速度快、效率高。
(7)该方法不需要模具，工艺控制简单。
附图说明
图1是压印式激光打标装置示意图。
图2是双悬臂运动机构示意图。
图3是打印的二维Data Matrix码示意图。
其中：1.控制系统；2.激光发生器；3.激光束；4.有机玻璃；5.板材；6.等离子体云；7.压印式激光冲击所形成的点标记；8.双悬臂运动机构；8.1.机架；8.2伺服电机；8.3后悬臂；8.4.伺服电机；8.5.前悬臂；8.6.夹紧螺钉；8.7.键；8.8.旋转轴；8.9.键；8.10.旋转轴
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。
图1是压印式激光打标装置示意图，包括依次相连的控制系统1、激光发生器2、由激光发生器2发出的激光束3；有机玻璃板4与板材5重叠在一起，并通过运动机构8使之按预定轨迹运动。运动机构8与激光发生器2一起通过控制系统1进行控制。
图2是双悬臂运动机构示意图，包括机架8.1、后悬臂8.3、前悬臂8.5、旋转轴8.8和8.10、伺服电机8.2和8.4、键8.7和8.9，以及夹紧螺钉8.6。后悬臂8.3通过旋转轴8.10固定在机架8.1上，当伺服电机8.2在控制系统1的控制下进行旋转时，则带动轴8.10旋转，由于键8.9的作用，并驱动后悬臂8.3绕轴8.10转动；同理，前悬臂8.5通过旋转轴8.8固定在后悬臂8.3上，当伺服电机8.4在控制系统1的控制下进行旋转时，则带动轴8.8旋转，由于键8.7的作用，驱动前悬臂8.5绕轴8.8转动；夹紧螺钉8.6将重叠在一起的有机玻璃板4和板材5夹持在前悬臂的未端。后悬臂8.3和前悬臂8.5的两个旋转运动通过插补，使被夹持的板材5的任何位置都可到达激光束3的正下方，并接受激光冲击。
在图1中，由激光发生器2发出的激光束3作用于板材5的上表面，引起表层材料极其微量的气化电离，并形成等离子体云6，等离子体云6屏蔽了大量的激光能量使其不能到达板材表面，由于进一步吸收激光能量，等离子体云6产生而爆炸，在有机玻璃4的约束作用下，爆炸导致的冲击力作用于板材5，由于冲击波压力大于材料的动态屈服极限，使板材5上面产生塑性凹坑，而背面则生成塑性鼓包，从而形成点标记7。双悬臂运动机构8的前悬臂8.5的端部，通过夹紧螺钉夹持着板材及有机玻璃按预定轨迹运动，从而打上点标记、线标记或者图案。
激光发生器2发出的脉冲激光束3，其能量大小、光斑大小、脉冲个数、脉冲宽度均由控制系统1调节和控制。运动机构8的前悬臂8.5和后悬臂8.3的运动，也是由控制系统1通过控制两个伺服电机8.2和8.4的转动来完成，从而将两个独立坐标的旋转运动合成为一个按一定速度进行的曲线运动。
图1中板材5由于受到脉冲激光的冲击作用，已在表面形成塑性凹坑7。有机玻璃板4的目的是限制等离子体6的发散并使其产生的冲击波朝向板材5。有机玻璃板4的厚度取决于激光的种类、板材的厚度、预计使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。如用有机玻璃作约束层时，冲击应力可达到16GPa，没有约束层时，相同激光脉冲所产生的冲击力只有1GPa左右。
通常，激光束3作用于板材5时，通过表层材料的微量气化所形成等离子体云6已经足够产生所需的冲击力。为了使激光照射时更易形成等离子体并导致更大的冲击力，可以在板材5的表层涂以黒漆或金属涂层，这样能够形成更大的冲击力，但会为工件的后续处理带来麻烦。例如在铜板上，可以涂黑色有机漆或石墨；对于某些非金属材料，可以涂铝或铜的涂层或镀膜，这些膜可以通过喷溅或化学气相沉积法覆盖在板材上。
板材5的优选厚度范围为0.01-0.6mm。当板材厚度小于0.1mm时，则需在图1所示的板材5的四周做辅助夹具，以使板材5与约束层4紧密接触，否则会因板材5的宏观变形影响冲击效果。
图3是压印式激光打印方法所打印的二维Data Matrix码示意图。激光束3通过一个或多个脉冲作用于板材5，虽然板材5下方并没有型腔模具，但由于圆形光斑作用于材料时所产生的等离子体爆轰波是呈轴对称形状并向各个方向扩散的，所以，在板材5上所生成的塑性凹坑呈轴对称状。
压印式激光打印方法的操作步骤包括：开始→选择板材→将起约束层作用的有机玻璃板覆盖在板材上→将机玻璃板与板材相对固定并用夹紧螺钉夹持→板料移动→将一个或多个激光脉冲作用于板材上→移去工件→结束。
Claims (5)
1、压印式激光打标方法，其特征在于，将脉冲激光(3)作用于板材(5)表面，通过板材表层的烧蚀、气化和电离，在板材表面产生等离子体云(6)，等离子体云(6)进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等离子体云(6)在有机玻璃(4)的约束下，产生面向板材(5)的冲击力，导致板材(5)的局部塑性变形，从而打上标记(7)。
2、根据权利要求1所述压印式激光打标方法，其特征在于，所述板材(5)的厚度为0.01～0.6mm，所述有机玻璃(4)的厚度为0.5～2.5mm。
3、实现权利要求1或2所述压印式激光打标方法的装置，其特征在于，由控制系统(1)、激光发生器(2)、双悬臂运动机构(8)构成，所述激光发生器(2)和双悬臂运动机构(8)均由控制系统(1)控制。
4、如权利要求3所述实现压印式激光打标方法的装置，其特征在于，所述双悬臂运动机构(8)包括机架(8.1)、后悬臂(8.3)、前悬臂(8.5)、旋转轴(8.8、8.10)、伺服电机(8.2、8.4)、键(8.7、8.9)和夹紧螺钉(8.6)，所述后悬臂(8.3)通过旋转轴(8.10)固定在机架(8.1)上。
5、如权利要求4所述实现压印式激光打标方法的装置，其特征在于，所述前悬臂(8.5)和后悬臂(8.3)在两个扇形面内摆动，使激光束(3)与板材(5)产生任意的相对运动，从而使板材(5)打上点标记、线标记或者图案。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100728 Termination date: 20130730 |