CN102689097B - 利用激光进行金属材料深加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光进行金属材料深加工的方法，利用CCD定位系统确定加工区域，表面预先涂上一层特殊材料消除加工热影响，从激光器发出的脉冲光经过合适倍数的扩束镜和合适焦距的透镜后聚焦到金属材料表面配合选定的激光加工参数进行深度加工。本发明与其他加工方式（如线切割）相比，灵活性更高，可以实现各种图案，这是线切割和化学蚀刻不具备的；对于不需要加工穿透的产品（类似盲孔），相比于铣、削加工，激光由于其光斑小、能量密度高的特点，能直接加工出带有更小尖角的形状；在所加工材料表面涂上一种水性化合物涂料后加工，可以使得激光加工边缘更加光滑。

Description

利用激光进行金属材料深加工的方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光进行金属材料深加工的方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

目前在工业领域应用中，使用金属材料作为设备、产品的外壳以及内部的机构件比较常见。在加工的工序中经常会在不锈钢、铝合金外壳上加工出一定深度的需求。通过深度加工进入到下一道工序的定位、镶嵌，满足产品的外形设计要求，起到美化产品布局的作用。现在普遍采用车、铣、CNC加工或者使用化学腐蚀进行深度加工。但是上述方法不能解决尖角、效率、设备耗材比较大以及收到材料的加工复杂性等问题。例如，CNC加工时，由于受到刀具的限制，在弯曲的地方无法加工出带有尖角的槽。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用激光进行金属材料深加工的方法。利用激光高功率密度，峰值功率高的特点结合涂料的特性对金属材料进行加工的一种方法，解决传统加工方法不能解决的问题；可以配合传统的加工方法，先利用铣加工大概轮廓后，再利用激光加工出铣床未加工出的尖角部分，也可以直接利用激光加工以满足不同深度、效果、效率的要求。

为达成上述目的，本发明提供一种利用激光进行金属材料深加工的方法，所述方法包括以下步骤： 

A)利用CCD定位系统确定待加工金属材料表面的加工位置；

B)在待加工金属材料表面涂一层亲水性化合物，并通过空气压缩机对已涂上亲水性化合物的待加工金属材料表面进行制冷（通过空气流动的方式制冷

达到减少某些物质的产生，减小边缘热影响和粗糙感）；

C)对步骤B)所得的待加工金属材料表面进行激光加工。

优先地，其中所述步骤A)之前还包括采用铣削机加工出金属材料所需形状的最大轮廓的步骤。

优先地，其中所述步骤A) 具体为：在镭雕软件中编辑出所述雕铣机未能完成的加工部分，利用CCD定位系统确定加工位置，并选择平均输出功率小于50W的光纤激光器、F=160mm的聚焦镜、红外7X扩束镜及高速扫描振镜。

优先地，其中所述高速扫描振镜的扫描速度≤7000mm/s，重复定位精度<8uRad./℃。

优先地，其中所述步骤B)中的亲水性化合物为氢氧化钠或甘油。

优先地，其中所述步骤C) 具体为：从光纤激光器发出的脉冲光经过扩束镜和扫描振镜后聚焦到待加工金属材料表面，配合所设定的激光加工参数进行镭雕，当加工深度达到预定值时，即可停止镭雕。

优先地，其中：所述激光加工参数设定为：光纤激光器的输出功率设置为平均输出功率的90%（即达到极限功率的90%，如选用功率为20W的光纤激光器，则设定值达到18W；设定值过小，则光纤激光器效率变低；但过大 ，光纤激光器寿命会变短），频率35-45KHZ；扫描振镜的扫描速度为1000mm/s-1500mm/s；填充线间距为0.02-0.03mm。

优先地，其中所述金属材料为铝合金或不锈钢。

本发明具有的优点在于：

1、与其他加工方式（如线切割）相比，此方法灵活性更高，可以实现各种图案，这是线切割和化学蚀刻不具备的；

2、对于不需要加工穿透的产品（类似盲孔），相比于铣、削加工，激光由于其光斑小、能量密度高的特点，能直接加工出带有更小尖角的形状；

3、在所加工材料表面涂上一种水性化合物涂料后加工，可以使得激光加工边缘更加光滑；

4、选用的光纤激光器光束质量好、光斑小，脉宽窄，峰值功率高，配合适光学元器件加工槽的锥度比普通配置加工锥度小；                  

5、激光加工参数选用高速高频，能加工出平整的底面。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2 光路结构示意简图；

图3为本发明实施例1的工艺流程图；

图4为本发明实施例2的工艺流程图。

【主要附图标记】

1-光纤激光器；2-扩束镜；3-透镜；4-扫描振镜；CCD定位系统-5；

A1、A2 - CNC加工轮廓步骤；

B1、B2-绘制加工图形及设定加工参数；

C1、C2-阴影区涂亲水性化合物步骤； 

D1、D2-CCD定位及按设定参数加工步骤。

具体实施方式

本发明利用CCD定位系统确定加工区域，表面预先涂上一层亲水性化合物（氢氧化钠）消除加工热影响，从激光器发出的脉冲光经过合适倍数的扩束镜和合适焦距的透镜后聚焦到金属材料表面配合优化的激光加工参数以保证深度加工效率和效果。

如图1、图2所示，本发明所述利用激光进行金属材料加工的方法包括以下步骤：

步骤一，定位识别：采用CCD定位系统5对加工区域进行实别，确定加工的图形位置。

步骤二，光路传输与加工：激光从光纤激光器1的端口出来，经过扩束镜2，光斑变大，压缩发散角(便于获得更好的聚集性能)，到达扫描振镜4，通过振镜4的一对反射镜来控制光的轨迹，然后到达聚焦镜3进行聚焦，最后到达加工面，对材料进行加工。

不同的金属材料加工的工艺参数会有一定的区别。不同材料本身的表面状态和材料本身对光的吸收不同，材料的熔沸点的高低都会导致工艺参数有一定区别。比如，加工同样大小的6063铝合金和304不锈钢，加工铝，工艺参数中的振镜速度可以选择快速，而不锈钢我们会选择相对而言低的速度。同样大小的不锈钢和铝合金，同样在激光的作用下，不锈钢所需要的单脉冲能量要大。同时不锈钢的熔沸点都比铝高，所以在加工不锈钢时，选择低速、低频加工，保证不锈钢在加工时的温度(高速时不锈钢本身温度下降较快)。而加工铝合金时，会选择高速、高频。在选用同样功率的激光器的前提下，对两种材料加工到同样深度，不锈钢需要花费更长的时间。

步骤三，加工：1）设备的选择，选择20W的光纤激光器，合适倍数的扩束镜和扫描振镜。原因在于功率越高的激光器，光学模式相比而言较差，对加工后的底纹平整和边缘效果有影响。一般来说20W的光学模式可以满足要求，同时对加工的效率也有保证。然后选择特定的扩束镜和匹配的扫描振镜是可以控制聚焦后的光斑大小。实验过程中，我们通过反复改变不同的光学配置发现聚焦后的光斑过大或者过小，都不适合加工出所需要的效果和效率。只有当聚焦光斑大小在某一个合适值的时候效率是最好的。

2）工艺参数的设定：定义2分钟为单位，标刻同样的图形。采用不同的加工速度和填充间距，选择最佳参数。例如，在实验中加工铝合金，选用扫描振镜的扫描速度为1000mm/s，频率为35Khz-45Khz。填充的线间距控制在0.025-0.03mm，同时采用0度和90度双向扫描来保证底部的平整性。固定加工软件里加工图形的填充线间距0.03mm，光纤激光器频率从20KHZ变化到50KHZ，振镜的扫描速度从100mm/s变化到1000mm/s，做一个速度与频率的变化矩阵，从中找到加工效率最高、加工底纹平整的一组参数或者一个区域范围。当然还要固定速度，做一个频率与线间距的变化矩阵；固定频率，做一个速度与线间距的变化矩阵。最后从所有数据中提取去一组最佳工艺参数或者一个最佳加工参数区域。

3）编辑完加工图形、设定好参数后，用CCD系统自动确定加工位置。

4）在待加工材料表面涂上一层亲水性化合物，保证加工边缘的光滑。

    注意：加工过程中如果保证有氧环境，整个加工的效率会有大概20%的提升。

以下将结合具体实施例对本发明作进一步地详细说明。

实施例1：

以加工一片树叶图案为例，如图3所示，在1mm厚6061铝合金板(市购)上，加工一个树叶形状图案(图形尺寸为15mmx40mm)，加工深度0.3mm；具体步骤如下：

步骤A1：先采用铣削机加工出叶子的最大轮廓；

步骤B1：在镭雕软件中编辑出步骤A1中雕铣机未能完成的加工部分，利用CCD定位系统(识别需要加工的图形位置，保证激光加工图形与CNC机加工轮廓的相对位置)确定加工位置，并选择功率20W的光纤激光器(提供光源，加工能量来源)，F=160mm聚焦镜(使激光器经扩束镜后形成的光斑聚焦，提高光斑的功率密度)、7X扩束镜(压缩光源的发散角，提高光束的质量)和德国S10高速扫描振镜(扫描速度≤7000mm/s，重复定位精度<8uRad./℃，控制激光投影到加工面的加工路径，获得设定好的加工图案，保证加工的精度)； 

步骤C1：在待加工材料表面涂一层亲水性化合物(氢氧化钠)；

步骤D1：从上述光纤激光器发出的脉冲光经过扩束镜和扫描振镜后聚焦到金属材料表面配合所设定的激光参数(振镜的扫描速度：1000mm/s、频率45KHZ、光纤激光器达到功率90%；填充线间距0.03mm)对步骤A中铣削机未能完成的加工部分进行镭雕，当加工深度达到0.3mm，即可停止镭雕。如果要保证加工边缘锥度更小，可单独设置叶子边缘的加工速度，可降至300-400mm/s。

实施例2：

以加工一个五角星图案为例，如图4所示，在厚度为1mm的T镁铝合金板(牌号T934，市购)上，加工一个五角星图案(图形尺寸为40mmx40mm)，加工深度0.4mm；具体步骤如下： 

步骤A2：先采用铣削机加工出五角星的最大轮廓；

步骤B2：在镭雕软件中编辑出步骤A2中雕铣机未能完成的加工部分，利用CCD定位系统(识别需要加工的图形位置，保证激光加工图形与CNC机加工轮廓的相对位置)确定加工位置，并选择功率20W的光纤激光器(提供光源，加工能量来源)，F=160mm聚焦镜(使激光器经扩束镜后形成的光斑聚焦，提高光斑的功率密度)、7X扩束镜(压缩光源的发散角，提高光束的质量)和德国S10高速扫描振镜(扫描速度≤7000mm/s，重复定位精度<8uRad./℃，控制激光投影到加工面的加工路径，获得设定好的加工图案，保证加工的精度)；

步骤C2：在待加工材料表面涂一层亲水性化合物(氢氧化钠)；

步骤D2：从上述光纤激光器发出的脉冲光经过扩束镜和扫描振镜后聚焦到金属材料表面配合所设定的激光参数与实施例1相同(振镜的扫描速度：1000mm/s、频率45KHZ、光纤激光器功率达到90%；填充线间距0.03mm)对步骤A中铣削机未能完成的加工部分进行镭雕，当加工深度达到0.4mm，即可停止镭雕。如果要保证加工边缘锥度更小，可单独设置叶子边缘的加工速度，可降至300-400mm/s。

金属材料经深度加工后，其强度、抗变形各方面性能都达到要求，只是对于不锈钢这样的材料，由于材料表面遭到破坏，深度加工后建议涂油漆，防止氧化。

所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种利用激光进行金属材料深加工的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

A-1) 采用铣削机加工出金属材料所需形状的最大轮廓；

A)利用CCD定位系统确定待加工金属材料表面的加工位置：在镭雕软件中编辑出所述铣削机未能完成的加工部分，利用CCD定位系统确定加工位置，并选择平均输出功率小于50W的光纤激光器、焦距F=160mm的聚焦镜、红外7X扩束镜及高速扫描振镜；其中，所述高速扫描振镜的扫描速度≤7000mm/s，重复定位精度<8uRad./℃；

B)在待加工金属材料表面涂一层亲水性化合物，并通过空气压缩机对已涂上亲水性化合物的待加工金属材料表面进行制冷；

C)对步骤B)所得的待加工金属材料表面进行激光加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤B)中的亲水性化合物为氢氧化钠或甘油。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤C) 具体为：从光纤激光器发出的脉冲光经过扩束镜和扫描振镜后聚焦到待加工金属材料表面，配合所设定的激光加工参数进行镭雕，当加工深度达到预定值时，即可停止镭雕。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述激光加工参数设定为：光纤激光器的输出功率设置为平均输出功率的90%，频率35-45KHZ；扫描振镜的扫描速度为1000mm/s-1500mm/s；填充线间距为0.02-0.03mm。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：所述金属材料为铝合金或不锈钢。