CN104162742B - 激光加工方法及加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工方法及加工装置，所述激光加工方法为将待加工工件在一个高于室温的恒温环境下加工，以提升工件的激光吸收率，从而提高加工效率，本发明打破了在常温下进行激光加工的传统方式，提供一条激光加工的新思路和新途径，所述激光加工装置增加了一个恒温加热室，可以提供恒温的加工环境，并且温度可调，从而实现本发明所述的激光加工方法。

Description

激光加工方法及加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工方法及加工装置。

背景技术

随着激光加工技术的不断发展，激光加工逐步进入越来越多的领域，可加工产品的范围越来越大，许多具有新特点符合新要求的激光加工工艺被开发出来。但是现有的激光加工工艺中，激光加工工艺的开发往往从激光器、外光路配置以及切割头等着手，对于材料本身的工艺研究较少，工件都是在室温条件下进行激光束照射加工的，一定程度上限制了激光加工工艺的开发空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率更高的激光加工方法及加工装置。

本发明是这样实现的：一种激光加工方法，将待加工工件在一个高于室温的恒温环境下加工，以提升工件的激光吸收率。

优选的，所述恒温环境的具体温度值依据工件使用材料的加工温度与激光吸收率曲线确定，并在工件允许的温度范围内选择激光吸收率最大的温度点。

优选的，所述工件的材料加工温度与激光吸收率曲线通过以下方式得出：在材料试样的背面焊接两个用于测量材料背面温度的热电耦，设置所述两个热电耦与激光照射点不同的距离，对材料正面进行激光照射一段时间t₀，然后开始记录试样达到均温的时间t₁，材料试样达到室温的时间为t₂，根据下述表达式得到激光吸收率β：

$\mathrm{\β}=\frac{m{c}_p[T\left(t_0\right)-T_a]}{P{t}_0}$

其中，P为激光的输出功率，m为材料试样的质量，Cp为材料试样的比热，Ta为材料试样的加工温度，T_t0为t₀时材料试样平均温度，T_（t0）通过t₁和t₂之间的实际测量的时间温度曲线利用回归方程反向推导得出。

优选的，所述工件的材料为金属，所述金属材料加工温度与激光吸收率曲线通过以下方程得出：

$\mathrm{\β}=0.1457\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}}+0.09e^{-0.5\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}-c/N}{\mathrm{\ρ}}}}+\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{N\λ}-1.0\×{10}^{-6}},\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{20}\[1+\mathrm{\γ}(T-20)\]$

其中，β为激光吸收率，λ为激光入射光的波长，ρ为材料的电阻率，ρ₂₀为20℃下材料的电阻率，γ为电阻率的温度系数，N为金属材料的电核外电子层数，T为金属材料的加工温度，c=2.1×10^-6。

优选的，所述工件材料为3Cr₁₃时,对工件进行激光表面进行热处理的激光波长为10640nm，所述恒温环境的具体温度值为700℃。

本发明的另一种技术方案为：一种激光加工装置，包括激光光源、反射镜、激光振镜和激光加工平台，所述激光加工装置还包括密闭、温度可调的恒温加热室，所述激光加工平台设置在恒温加热室内，所述恒温加热室上设有用于激光穿过的透射窗口。

优选的，所述恒温加热室包括腔体绝热外壳、加热元件、热电耦、温度控制仪和腔体盖板，所述温度控制仪与加热元件和热电耦电连接，所述加热元件布置在腔体绝热外壳的侧壁处，所述透射窗口设置在腔体盖板上。

优选的，所述腔体盖板上还设有两个观察窗口，所述两个观察窗口对称地布置在透射窗口的两边。

优选的，所述透射窗口的材料为玻璃、硒化锌、石英或白宝石。

优选的，所述激光加工装置还包括扩束镜和聚焦透镜，所述扩束镜设置在激光振镜和反射镜之间，所述聚焦透镜设置在激光振镜和透射窗口之间。

本发明所述工件的加工温度是指工件加工的环境温度，即恒温加热室内的温度。

本发明的有益效果为：本发明所述激光加工方法是让待加工工件在一个高于室温的恒温环境下加工，这样就可以提高材料对激光的吸收率，从而提高加工效率。本发明打破了在常温下进行激光加工的传统方式，提供一条激光加工的新思路和新途径。本发明所述激光加工装置增加了一个恒温加热室，可以提供恒温的加工环境，并且温度可调，从而实现本发明所述的激光加工方法。

附图说明

图1是本发明所述激光加工装置实施例的结构示意图；

图2是图1中腔体盖板的俯视图；

图3是采用实际测量材料的激光吸收率的测试原理图；

图4是两支热电耦实际测量到的温度与时间变化图。

其中，1、工件；2、激光光源；3、反射镜；4、激光振镜；5、扩束镜；6、聚焦透镜；7、激光加工平台；8、恒温加热室；81、腔体绝热外壳；82、加热元件；83、热电耦；84、腔体盖板；85、透射窗口；86、观察窗口；9、材料试样；10、K型热电耦。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开一种激光加工方法，用于加工工件，将待加工的工件在一个高于室温的恒温环境下加工，以提升工件的激光吸收率。本发明所述激光加工方法可以为激光切割、激光烧结、激光表面热处理等等各种方法。

本发明人发现激光加工过程中激光束与材料的吸收相容性决定了激光加工的效率，当激光波长和功率确定后，材料的激光吸收率是影响加工效率的最大因素，很多材料在不同的加工温度下，对激光的吸收率有较大不同，随着加工温度的升高，大部分材料对激光的吸收率有所增加，当温度较高时，部分材料的激光吸收率会大幅增加。本发明所述激光加工方法是让工件在一个高于室温的恒温环境下加工，这样就可以提高材料对激光的吸收率，从而提高加工效率。本发明打破了在常温下进行激光加工的传统方式，提供一条激光加工的新思路和新途径。

为了确定工件在哪个恒定的温度下进行加工是最合适的，需要借助工件使用材料加工温度与激光吸收率曲线确定，并在工件允许的加工温度范围内选择激光吸收率最大的温度点，在此温度点材料的激光吸收率最大，所以加工效率最高。工件允许的加工温度范围是指既要符合工件的加工条件要求，又要不破坏或影响工件其它重要性能参数。

本发明还提供了一种通过实际测量来获得材料加工温度与激光吸收率曲线的方法，当激光束扫过材料试样时，材料试样吸收部分激光能量而温度升高，吸收的能量与激光的输出能量的比值即是该材料的激光吸收率。如图3所示，在材料试样9的背面焊接两个用于测量材料背面温度的热电耦，比如K型热电耦10，设置所述两个K型热电耦10与激光照射点不同的距离，对材料试样正面进行激光照射一段时间t₀，然后开始记录材料试样达到均温的时间t₁，材料试样达到室温的时间为t₂，根据下述表达式得到激光吸收率β：

其中，P为激光的输出功率，m为材料试样的质量，Cp为材料试样的比热，Ta为材料试样的加工温度，T_t0为t₀时材料试样的平均温度，T_t0通过t₁和t₂之间的时间温度曲线利用回归方程反向推导得出（具体推导回归方程可以参考文献：1、YangShiming.PrincipleofHeatTransfer[M].Beijing:HighEducationPress,1991(inChinese)；2、J.P.Holman.HeatTransfer[M].4thed.NewYork:McGraw-Hill,1976）。

下面以不锈钢3Cr₁₃材料进行激光表面热处理为例，首先确定采用波长为10640nm的激光进行加工，激光的平均输出功率为300W，材料试样尺寸为9.12mm×30.60mm×1.92mm，密度为7721kg/m³，比热容为680J/（kg·K），要获得该材料加工温度与对此特定波长激光的吸收率曲线，首先，在常温20℃下进行实验并测量，如图4所示，材料试样为不锈钢3Cr₁₃材料时两个K型热电耦实际测量到的时间与温度的曲线，其中，t₀=10S，t₁=35S，t₂=113S，通过回归方程反向推导得出T_t0=61.48℃。所以得出Ta=20℃时的激光吸收率为3.89%。然后不断更换工件的加工温度，重复上述步骤，得出一条完整的材料加工温度与激光吸收率曲线。简单列举以下几个加工温度时的激光吸收率，如下表：

温度（℃）	20	100	200	300	400	500	600	700
									激光吸收率	3.89%	5.19%	5.80%	6.22%	6.84%	7.01%	7.70%	8.48%

然后确定激光表面热处理允许的温度范围为不超过700℃，通过上表可以得知在700℃时材料的激光吸收率最大，即在700℃的加工温度下，加工效率最高。当然从加工整体经济性上考虑，由于恒温加热室也需要消耗较高的能源，所以选择600℃、500℃、400℃、300℃等等温度也都是可行的，相比在常温下的加工效率是有成倍增长的。

本发明还提供了一种通过理论计算来获得金属材料加工温度与激光吸收率曲线的方法，由菲涅耳公式可知，当激光照射到金属材料表面时，首先由于金属材料的自由电子过多而反射了绝大部分的激光，只有小部分激光得以透过表面而被金属材料吸收，还有一小部分激光被金属内的束缚电子、晶格振动等振子吸收，因此当激光照射到金属材料表面时被吸收的激光就可以分为这两部分。

（1）由菲涅耳公式推导，金属材料表面激光透射率可由下式表达：

$T^{\′}=2\sqrt{\frac{2\mathrm{\ω}{E}_0}{\mathrm{\σ}}}=0.1457\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}}$

其中，T’为金属材料的透射率，ρ为金属材料的电阻率，若金属材料是不透明金属材料，透射激光全部被材料吸收，激光透射率亦为透过表面而被金属材料吸收的激光吸收率。

（2）金属电阻率主要反映了金属材料的自由电子数，但同时它也正好说明了束缚电子的情况，金属电阻率ρ与激光光子的吸收率成正比，另外吸收率还和激光光子的波长成一定关系，因此，可以假设这部分的吸收率模型：

$A=a{e}^{b\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}-c/N}{\mathrm{\ρ}}}}$

其中，N为金属材料的核外电子层数，λ为入射光波长，a、b为待定系数，通过计算机模拟确定其值a=0.09，b=-0.5,c为与金属固有频率相关的常数，c=2.1×10^-6。另外，还需要对上述两部分吸收的能量加总结果进行修正，修正值为:

综合以上分析，可以综合得到金属的激光吸收率β：

$\mathrm{\β}=0.1457\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}}+0.09e^{-0.5\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}-c/N}{\mathrm{\ρ}}}}+\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{N\λ}-1.0\×{10}^{-6}},$ $\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{20}\[1+\mathrm{\γ}(T-20)\]$

其中N为金属材料的核外电子层数，ρ为材料的电阻率，λ为激光入射光波长，T为金属材料的加工温度，c=2.1×10-6，ρ₂₀为20℃下材料的电阻率，γ为电阻率的温度系数。

通过文献查出所加工金属材料的各项参数，主要有电阻率、电阻率的温度系数，金属材料的核外电子层数，再将加工温度，激光入射光波长等参数带入公式进行逐个温度点计算，最终获得该金属材料在不同加工温度下，对特定波长激光的吸收率的曲线。

下面以不锈钢3Cr₁₃材料进行激光表面热处理为例，首先确定采用波长为10640nm的激光进行加工，要获得该金属材料加工温度与对此特定波长激光的吸收率曲线，首先查取不锈钢3Cr₁₃材料在常温下的各项参数：

材料	电阻率10-8（Ω*m）	温度系数（/℃）
			3Cr13	55	2.27×10-3

再查取不锈钢3Cr₁₃材料的成分为0.31%C、0.62%Si、0.57%Mn、0.022%P、0.019%S、13.07%Cr，通过等效计算，得到其电子层数N=3.5131，将各个参数带入模型公式，通过数学计算，所得各温度下的激光吸收率，如下表：

温度（℃）	20	100	200	300	400	500	600	700
									激光吸收率	6.96%	8.24%	8.82%	9.27%	9.83%	10.03%	10.73%	11.49%

然后确定激光表面热处理允许的温度范围为不超出700℃，通过上表可以得知在700℃时材料的激光吸收率最大，即在700℃的加工温度下，加工效率最高。

由于金属材料的表面粗糙度、氧化程度、涂层及杂质情况都会影响材料的激光吸收率，所以上述通过数值模型拟合计算出的加工温度与激光吸收率曲线与实际测量推导出的曲线会存在一定的误差，可根据实际需求，实测与理论推导的数据通过数值模拟相结合的方法来确认一条准确的加工温度与激光吸收率曲线。

本发明还提供了一种激光加工装置，如图1和图2所示，为本发明激光加工装置的实施例，包括激光光源2、反射镜3、激光振镜4和激光加工平台7，所述激光加工装置还包括密闭、温度可调的恒温加热室8，所述激光加工平台7设置在恒温加热室8内，所述恒温加热室8上设有用于激光穿过的透射窗口85。所述激光光源2发射出激光束，经过反射镜3反射到达激光振镜4，激光振镜4通过控制卡控制对工件1进行扫描加工。

本发明所述激光加工装置增加了一个恒温加热室8，可以提供恒温的加工环境，并且温度可调，从而实现本发明所述的激光加工方法。

在本实施例中，所述激光加工装置还包括扩束镜5和聚焦透镜6，所述扩束镜5设置在激光振镜4和反射镜3之间，所述聚焦透镜6设置在激光振镜4和透射窗口85之间，先对激光进行扩束然后再进行聚焦可以较好地控制激光发散角，并获得理想的光斑。

在本实施例中，所述恒温加热室8包括腔体绝热外壳81、加热元件82、热电耦83、温度控制仪（图中未示出）和腔体盖板84，所述温度控制仪与加热元件82和热电耦83电连接，所述加热元件82布置在腔体绝热外壳81的侧壁处，所述透射窗口85设置在腔体盖板84上。所述温度控制仪通过热电耦83时时监测恒温加热室8内的温度，并通过调整加热元件82的功率，来保证恒温加热室8内的温度处在比较恒定的状态，所述加热元件82布置在腔体绝热外壳81的侧壁处，最好均匀分布在四个侧壁处，这样不但可以保证恒温加热室8内的温度均匀性，还可以提供较大容置空间，用于放置激光加工平台7和工件1；激光束从上向下穿过透射窗口85照射到工件1表面，透射窗口85需要让激光束穿过，又需要让恒温加热室8保持密闭状态，所以透射窗口85的材料非常重要，根据激光束波长、恒温加热室设置的温度等因素来选择玻璃、硒化锌、石英或白宝石等材料。

在本实施例中，由于腔体绝热外壳81和腔体盖板84的绝热性要求较高，一般为多层结构，不透明，人们无法直接观察工件1的加工情况，为此特别在所述腔体盖板84上设置了两个观察窗口86，所述两个观察窗口86对称地布置在透射窗口85的两边，这样人们可以从一个观察窗口86中射入可见光，从另一个观察窗口86中观察工件1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光加工装置，包括激光光源、反射镜、激光振镜和激光加工平台，其特征在于，所述激光加工装置还包括密闭、温度可调且温度范围不超出700℃的恒温加热室，所述激光加工平台设置在恒温加热室内，所述恒温加热室上设有用于激光穿过的透射窗口；

所述恒温加热室包括腔体绝热外壳、加热元件、热电耦、温度控制仪和腔体盖板，所述温度控制仪与加热元件和热电耦电连接，所述加热元件布置在腔体绝热外壳的侧壁处，所述透射窗口设置在腔体盖板上；

所述腔体绝热外壳和所述腔体盖板为多层结构；

所述腔体盖板上还设有两个观察窗口，所述两个观察窗口对称地布置在透射窗口的两边；

所述激光加工装置还包括扩束镜和聚焦透镜，所述扩束镜设置在激光振镜和反射镜之间，所述聚焦透镜设置在激光振镜和透射窗口之间。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述透射窗口的材料为玻璃、硒化锌、石英或白宝石。

3.一种利用权利要求1或2所述的激光加工装置进行的激光加工方法，其特征在于，将待加工工件在所述恒温加热室提供的一个高于室温的恒温环境下加工，以提升工件的激光吸收率。

4.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，所述恒温环境的具体温度值依据工件使用材料的加工温度与激光吸收率曲线确定，并在工件允许的温度范围内选择激光吸收率最大的温度点。

5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，所述工件的材料加工温度与激光吸收率曲线通过以下方式得出：在材料试样的背面焊接两个用于测量材料背面温度的热电耦，设置所述两个热电耦与激光照射点不同的距离，对材料正面进行激光照射一段时间t₀，然后开始记录试样达到均温的时间t₁，材料试样达到室温的时间为t₂，根据下述表达式得到激光吸收率β：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{mc}}_P\[T\left(t_0\right)-T_a)\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

其中，P为激光的输出功率，m为材料试样的质量，Cp为材料试样的比热，Ta为材料试样的加工温度，T_t0为t₀时材料试样平均温度，T_(t0)通过t₁和t₂之间的实际测量的时间温度曲线利用回归方程反向推导得出。

6.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，所述工件的材料为金属，所述金属材料加工温度与激光吸收率曲线通过以下方程得出：

$\mathrm{\β}=0.1457\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}}+0.09e^{-0.5\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}-c/N}{\mathrm{\ρ}}}}+\frac{\mathrm{\ρ}}{N\mathrm{\λ}-1.0\×{10}^{-6}},\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_{20}\[1+\mathrm{\γ}(T-20)\]$

其中，β为激光吸收率，λ为激光入射光的波长，ρ为材料的电阻率，ρ₂₀为20℃下材料的电阻率，γ为电阻率的温度系数，N为金属材料的电核外电子层数，T为金属材料的加工温度，c＝2.1×10^-6。

7.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，所述工件材料为3Cr₁₃时,对工件进行激光表面进行热处理的激光波长为10640nm，所述恒温环境的具体温度值为700℃。