CN104837636A - 带有肉眼可见的预定图形表示的机械零件的表面标记的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有预定图形表示的机械零件的表面标记方法，该方法包括使用激光源来施加单个激光脉冲到用于标记的零件的外表面，其中在所述激光源和所述零件的所述外表面之间插入掩模，所述掩模具有预定图形表示，并且所述激光脉冲具有至少20MW/cm2的功率通量密度以及小于或等于100ns的持续时间。

Description

带有肉眼可见的预定图形表示的机械零件的表面标记的方法
背景技术
本发明涉及标记机械零件的一般领域。
本发明的应用领域在于标记航空零件，且特别地是用于航空涡轮发动机的零件以使它们能够被标识和验证。
在航空领域中，熟知的是在某些发动机零件上标上序列号(例如，以基于十六进制的编码的形式或以数据矩阵编码的形式)，从而使得这些零件能够被标识(它们被称为是“经标记”)。使用这样的数字，可以确切地知道零件是验证了的且知晓它的来源。
对于航空涡轮发动机的涡轮机和压缩机的叶片特别需要标记。叶片是关键的替换零件，因为知晓它们的确切来源很重要，以便考虑替换这些零件对于正被讨论的涡轮机或压缩机的使用寿命的影响。
零件，尤其是用于航空涡轮发动机的涡轮机或压缩机叶片可以各种方式被标记。因此，已知可通过激光多次经过去除材料在标记零件中产生印记来完成标记。在锤或气动活塞的帮助下通过给予连续的冲击，使得在零件上标记序列号来执行机械标记同样是已知的。借助于手动或自动铣床执行标记也是已知的。
用于在零件上放置所需序列号的依赖于材料去除或使零件变形来进行标记的原理的标记技术对被标记零件的材料的坚固性存在显著缺陷。具体来说，对作为金属合金的单晶制成的零件来说，变形或去除材料可导致局部的再结晶或在其微观结构的不可逆的缺陷。
此外，对于涡轮机或压缩机叶片，使用这些常规技术的标记一般是在叶片的根部执行的。对叶片暴露于气体的部分(例如它的机翼)进行标记是不能设想的：气体扫过这样的区域的表面存在着因侵蚀/氧化而擦除序列号或事实上通过撕开材料而擦除序列号的风险。此外，振动疲劳可能引发在标记部位出现裂痕。
不幸的是，在叶片根部对叶片进行标记会导致一旦刀片被组装，则叶片的根部成为被隐藏的区域的问题，使得在一旦叶片被安装在发动机中，标识叶片就变得不可能。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供了一种能够使得标记能够被简单且快速地标记同时不存在上述缺陷的方法。
根据本发明，该目的可通过用预定图形表示来对机械零件表面进行标记的方法来实现，该方法包括使用激光源以施加单个激光脉冲到用于标记的零件的外表面，在所述激光源和所述零件的所述外表面之间插入掩模，所述掩模具有预定图形表示，并且所述激光脉冲具有至少20兆瓦每平方厘米(MW/cm2)的功率通量密度以及小于或等于100纳秒(ns)的持续时间。
本申请人已经发现在上述规定的条件下施加激光脉冲通过掩模使得能够在几乎不烧蚀材料和使其保有在高温条件下抵抗氧化的优异性能的同时在机械零件上且特别地是在燃气涡轮发动机的零件上完成标记(可能是肉眼可见的，取决于所述激光脉冲的冲击直径)。具体来说，已经发现由单个激光脉冲留在用于标记的所述零件的所述表面上的印记在深度上是非常浅的(小于1微米)。还已经观察到的是，即使当它在高氧化环境中经受高温(约1100℃)，通过激光脉冲所形成的印记是持久的。
因此，在标记压缩机或涡轮机叶片的应用中，本发明的方法可以应用于暴露于气体的叶片的(即机翼)的零件，从而避免了标记叶片隐藏部位的所有缺陷。具体来说，即使当叶片安装在发动机中时，也可能借助于叶片的标记来标识叶片。
此外，已经发现的是，本发明的方法是同样有效的(在几乎不烧蚀材料和长的使用寿命方面)，不管用于标记的零件是由金属(具体来说是镍、铝、钛、铁等)、复合材料(具体来说是碳纤维与环氧树脂基体)、或陶瓷(具体来说是氧化锆)制成。
最后，本发明的方法是快速的(仅需要一个激光脉冲)、易于执行的(不需要施加材料)、且使得根据选定的掩模来制造带有复杂形状的标记(例如公司标志)成为可能。
聚焦透镜可以插入在所述激光源和所述掩模之间以便改变由所述激光源发射的光束的尺寸。所述源可以是Nd-YAG激光器。此外，所述激光脉冲可具有至少0.5毫米(mm)的冲击直径，从而确保所产生的标记是肉眼可见的。
当用于标记的零件是金属制成的，所述激光脉冲优选地具有位于0.04GW/cm2至0.55GW/cm2范围内的功率通量密度。
当用于标记的零件是由包括碳纤维和环氧树脂基质的复合材料制成的，所述激光脉冲优选地具有位于0.15GW/cm2至2GW/cm2范围内的功率通量密度。
当用于标记的零件是陶瓷制成的，所述激光脉冲优选地具有位于0.10GW/cm2至0.34GW/cm2范围内的功率通量密度。
根据有利的规定，该方法还包括在所述激光源和所述零件的所述外表面之间插入不透明标记，所述不透明标记具有多个色阶以便得到所述零件的多对比度的标记。借助于这种不透明掩模使得能够制成更复杂的标记，从而使它们更难以被仿制。
本发明还提供了如上限定的用于标记航空涡轮发动机的风扇叶片、涡轮叶片或压缩机叶片的方法的应用。
附图说明
本发明的其它特征和优点通过以下描述和参见以下示出的没有限制性文字的实施例的附图是显而易见的。在图中：
图1是用于执行本方法的设置的示例的示意图；
图2至4示出了通过本发明的方法得到的标记的不同示例的照片；和
图5是用于执行本发明的变体实施例的不透明掩模示例的示意图。
具体实施方式
本发明适用于用预定的图形表示来对任何机械零件进行表面标记，具体来说，是标记用于航空的零件，且更具体地，是燃气涡轮发动机的零件。
术语“预定的图形表示”被用来表示例如诸如标志、序列号、数据矩阵编码等的任何预定的设计或几何形状。
本发明的非限制性示例应用是对航空涡轮发动机的风扇叶片、涡轮叶片或压缩机叶片进行表面标记。
本发明的方法包括将单个激光脉冲施加到用于标记的零件的外表面上，在激光源和零件的外表面之间插入掩模，其中掩模具有期望标记在零件上的预定图形表示。
在本发明中，施加到零件的外表面的激光脉冲具有至少20兆瓦/厘米2的功率通量密度，以及小于或等于100纳秒的持续时间。
图1是示出适合用于执行本发明的标记方法的设置的示例的简图。
具有在其上将执行标记的外表面10a的用于标记的零件10(如涡轮叶片)由支承台12支承。零件的外表面10a面朝上方。
产生波长在1.064微米(μm)的辐射且经倍频的激光源14(例如Nd-YAG型激光)被定位在支承台12上，并且被配置成输送具有持续时间小于或等于100纳秒的不小于20兆瓦/厘米2的功率通量密度的脉冲。
此外，具有预定图形表示的掩模16插在激光光源和所述用于标记的零件10的外表面10a之间。同样地，聚焦透镜18(收敛的或发散的)定位在激光器14和掩模16之间以便激光发射的光束的尺寸匹配掩模的尺寸。
因此，激光器14产生借助于聚焦透镜18被聚焦成光束的辐射，该光束在照亮零件的外表面的选择区域前通过掩模16。由激光器14产生的激光脉冲在这区域中产生等离子体且等离子体的扩展引起了大量的(热和声学)能量被释放，从而引起对于用于标记的零件的表面的局部变形。当由激光器产生的激光脉冲被如上述指定的设置(即具有至少20兆瓦/厘米2功率通量密度和小于或等于100纳秒的持续时间)，对于零件的表面的局部变形产生了留在零件的表面上的印记。
因此，通过本发明的方法获得的标记以印记的形式留在零件的表面，其中印记具有对应于所使用掩模结构的设计(其中掩模充当底片)。
这种印记呈现的尺寸(具体来说是直径)对应于由激光器产生的激光脉冲的冲击的直径。因此，采用至少0.5毫米的激光脉冲的冲击直径，获得的标记呈现至少为0.5毫米的直径(这使得它可以为是肉眼可见的)。这个直径可高达150毫米(如果需要的话，通过借助于发散的聚焦透镜18)。
当激光脉冲在这样的条件下施加时，已经发现仅需要一个脉冲来标记零件。特别是，没有必要施加多个激光脉冲到同一区域以便获得这样的结果。
还使用轮廓仪发现了无论冲击直径大小且无论零件的材料(金属的、陶瓷的或复合的)，留在零件10的外表面10a中印记具有非常浅的深度(小于1微米)。
同样已发现的是获得的标记，即使它具有很浅的深度，然而可承受是高度氧化和高温的环境。具体来说，测试表明这样的标记(在镍零件上制成)在1小时(h)执行700次循环(每次在1100℃的空气中)之后仍可保持。
应当注意到，标记可以被标记而没有必要使用对于激光波长是透明的受限介质(诸如例如用于Nd-YAG型激光器的水或玻璃)来获得由激光器产生的等离子体的更好的扩展。
同样地，可注意到该标记可在大气环境中执行，假设由激光器产生的激光脉冲的功率通量密度被限制为10GW/cm2(相当于空气的击穿阈值)。对于高于10GW/cm2时的功率通量密度值，标记需要在真空中执行。
本发明的标记方法可应用于任何类型的材料。特别地是，它非常适合于标记金属、陶瓷、或复合材料制成的零件。它也适用于零件的任何表面涂层材料。
当用于标记的零件由金属制成时，功率通量密度应被施加到优选地位于0.04GW/cm2至0.55GW/cm2的范围以便获得可完美识别的印记。
更精确地，采用由镍制成的零件，功率通量密度施加在0.10GW/cm2至0.52GW/cm2的范围是有利的。对于由铝制成的零件，功率通量密度应该施加在位于0.20GW/cm2至0.55GW/cm2的范围内，而对于由钢制成的零件，功率通量密度应该施加在优选地位于0.10GW/cm2至0.50GW/cm2范围内。
此外，采用由具有碳纤维和环氧树脂基质的复合材料制成的用于标记的零件，激光脉冲优选地具有位于在0.15GW/cm2至2GW/cm2的范围内的功率通量密度以便获得可完美识别的印记。
最后，采用由陶瓷制成的用于标记的零件，激光脉冲优选地具有0.10GW/cm2至0.34GW/cm2的范围内的功率通量密度以便获得可完美识别的印记。
以下参照图2至图4，是使用本发明的方法制成的标记的各个示例的描述。
图2是示出了根据本发明的方法在碳/碳型复合材料的基板上施加激光脉冲的结果的照片(比例4∶1)。
在该图中肉眼可见的且在形状为圆形的的标记20借助于具有8.7毫米冲击直径、等于99MW/cm2的功率通量密度以及5.2纳秒的持续时间的单个激光脉冲获得。使用的掩模不具备任何图形表示。
同样地，图3是示出了根据本发明的方法的在二氧化锆(ZrO2/Y2O3)制成的基板上施加激光脉冲的结果的照片(比例4∶1)。
在该图中肉眼可见的且在形状为圆形的的标记20′借助于具有9.1毫米冲击直径、等于135MW/cm2的功率通量密度以及5.2纳秒的持续时间的单个激光脉冲获得。使用的掩模不具备任何图形表示。
最后，图4是示出了根据本发明的方法在铝制成的基板上施加激光脉冲的结果的照片(比例4∶1)。
在该图中的肉眼可见的且在形状上是圆形的标记20″借助于具有13毫米冲击直径、等于41MW/cm2的功率通量密度以及5.2纳秒的持续时间的单个激光脉冲获得。使用的掩模不具备任何图形表示。
这些照片一起示出了在上述指定的功率通量密度和持续时间条件下施加单个激光脉冲有可能获得可完美识别的标记，而不管被标记的零件的材料(或它的表面涂层)，这种标记不损伤零件的材料且能够经受氧化和高温的环境。
根据有利的规定，在激光源和用于标记的零件的外表面之间插入被称为“不透明”掩模的附加掩模是可能的。这一不透明掩膜是除了具有如上所述的预定图形表示的掩模16之外的掩模(不透明掩模可以同样良好地放置在激光束的行进方向上的掩模16的上游或下游)。
该不透明掩模是包括具有多个色阶的介质(例如液体或玻璃)形式的掩模以便得到零件的多对比度标记。
具体来说，应根据用于在零件上再现的掩模的图案来提供激光源的密度的受控衰减的方式来选择不透明掩模。因此，该不透明掩模的几乎没有衰减的区域传递更大的激光强度，而具有显著衰减的区域只传递非常小的激光强度。
图5示出了适用于获得用于标记的对比度灰度的不透明掩模22的示例。在这示例中，不透明掩模22具有几乎没有衰减的中央区域22a和具有较强衰减的外围区域22b。因此，使用这样的不透明掩模使得在表示的中央区域和周边区域之间获得具有对比度阶层的图形表示成为可能。

Claims (9)

1.一种用预定图形表示来对机械零件进行表面标记的方法，所述方法包括：使用激光源来施加单个激光脉冲到用于标记的零件的外表面，其中在所述激光源和所述零件的所述外表面之间插入掩模，所述掩模具有预定图形表示，并且所述激光脉冲具有至少20MW/cm2的功率通量密度小于或等于100ns的持续时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，聚焦透镜被插入在所述激光源和所述掩模之间。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光源是Nd-YAG激光器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲具有至少0.5mm的冲击直径。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，当所述用于标记的零件由金属制成时，所述激光脉冲具有位于0.04GW/cm2至0.55GW/cm2范围内的功率通量密度。
6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，当所述用于标记的零件由包括碳纤维和环氧树脂基质的复合材料制成时，所述激光脉冲具有位于0.15GW/cm2至2GW/cm2范围内的功率通量密度。
7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，当所述用于标记的零件由陶瓷制成时，所述激光脉冲具有位于0.10GW/cm2至0.34GW/cm2范围内的功率通量密度。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法，进一步包括：在所述激光源和所述零件的所述外表面之间插入不透明掩模，所述不透明掩模具有多个色阶以便得到所述零件的多对比度的标记。
9.使用如权利要求1至8中的任一项所述的方法来标记航空涡轮发动机的风扇叶片、涡轮叶片或压缩机叶片。
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