CN107175409A - 脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法 - Google Patents

脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法，包括：根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数；在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。本发明可充分利用精细光斑激光扫描加工的各项优势，实现脆硬材料的高精度、高效化加工。

Description

脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法
技术领域
本发明涉及一种脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法，属于激光加工 技术领域。
背景技术
陶瓷及其复合材料、难熔金属及合金、金属间化合物等脆硬材料在航空航 天、能源以及高端装备等领域的应用较为广泛，脆硬材料硬度高、脆性大，加 工难度大，传统的机械切削加工方式已无法满足多样化、高精度零件的加工需 要。
随着激光加工技术的快速发展，激光作为一种无接触的高效加工手段，在 材料加工领域具有广泛的应用前景，激光加工以其高能量密度、高精细度和高 加工效率等优点，已成为多种工程材料的加工利器。目前，对于脆硬材料而言， 激光加工的解决途径主要包括两种：一种是选用短波长激光，如光子能量高的 紫外激光、准分子激光灯等冷激光，直接打破材料分子间和分子内的键能，实 现材料消融，产生基本热效应；第二种是选用超快激光，如皮秒、飞秒量级的 脉冲宽度，利用激光的高能量峰值，瞬时消融材料。但是，无论是采用短波长 还是超快激光，现有激光器的平均功率都比较低，设备成本高，难以在工业化 加工领域推广应用。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种脆硬材料的三维激光精细加工 系统及方法，加工过程中，自适应调整每一加工层对应的扫描填充方案，同时， 动态调整激光聚焦光斑使得每一加工位置的焦斑保持一致，达到对硬脆材料的 快速、精细、高效化加工。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种脆硬材料的三维激光精细加工系统，包括计算机控制系统、三维动态 聚焦扫描系统、脉冲激光器；
计算机控制系统，用于根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要 求，确定激光扫描加工方案；
该扫描加工方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数，在图案填充区， 制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得 光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后 变换激光扫描填充方案；同时在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案 轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。
三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫 描加工区域实现逐层激光扫描加工。
每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度， 生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及 轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为 0.5～0.8。
所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填 充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。
所述激光加工参数包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程中， 光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为 10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范 围为5～50μm。
所述脉冲激光器可选择光纤激光、固体激光或者半导体激光，激光波长范 围为500nm～1200nm，激光的平均功率范围为20～200W。
一种脆硬材料的三维激光精细加工方法，包括步骤：
S1：根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描 加工方案；
包括：
S11：确定激光加工参数，确定加工层数；
S12：在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；
S13：加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚 焦，焦斑均匀一致；
S14：每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；
S15：在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或 多次的激光轮廓扫描。
S2：动态控制一三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案， 于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。
每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度， 生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及 轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为 0.5～0.8。
所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填 充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。
所述激光加工参数还包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程 中，光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为 10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范 围为5～50μm。
所述步骤S15中，进行激光轮廓扫描时，通过提高激光扫描速度或是减小 激光光斑直径方式减小激光光斑直径，使得调整后的激光光斑直径与图案轮廓 区的大小相适应。
本发明的优点是：
1、本发明的系统及方法，对每个加工层制定相应的扫描填充方案，包括 扫描线间距、扫描线角度、扫描线于图案填充区内不同位置的长度等，可保证 加工层的均匀性、平整性；
2、本发明的系统及方法，于整个加工过程中，动态调整激光焦距，使得 聚焦于每个加工位置的焦斑均匀一致，通过对激光光束能量的精准控制，高能 量密度实现材料的烧蚀，激光能量主要用于烧蚀去除材料而不用于加热基体材 料，避免热量积累，同时结合快速扫描，尽量减少热输入，降低脆性材料开裂 的倾向；
3、本发明的系统及方法，针对激光光斑能量的特性，为去除图案轮廓区 多余的材料，加工一个或几个加工层后，进行激光轮廓扫描，进一步提高加工 层的均匀性；
4、本发明的系统及方法，针对每个加工层设定优选的填充线间距，多个 加工层不断变换扫描填充方案，通过多方位自适应的扫描加工，能够改善激光 能量分布的空间均匀性，有利于不同加工位置材料的均匀去除，扫描加工后材 料的表面粗糙度Ra＜5μm，实现对三维刻蚀图案的精准控制；
5、本发明的系统及方法，无需超快激光或者紫外激光，采用常规纳秒、 微秒脉冲红外激光即可实现脆硬材料的高精度、多样化加工，加工效率高，成 本低；
6、本发明的系统及方法，能够充分发挥激光的高能量密度、高精细度和 高加工效率等优点，将激光加工特种材料的优势发挥到极致。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是本发明的确定扫描加工方案的流程图。
图3是脉冲激光聚焦光斑的强度分布示意图。
图4是本发明的单个脉冲激光在制件表面烧蚀后制件的微观俯视图及侧视 图。
图5A是本发明的脉冲激光在制件表面扫描填充一道后制件的微观结构俯 视图。
图5B是图5A所示制件的微观结构侧视图。
图6A是本发明的脉冲激光在制件表面扫描填充两道(往返)后制件的微 观结构俯视图。
图6B是图6A所示制件的微观结构侧视图。
图7A是在图6A所示制件基础上，脉冲激光在制件表面进行轮廓扫描后 制件的微观结构俯视图。
图7B是图7A所示制件的微观结构侧视图。
图8A是激光聚焦于制件表面第一加工层的示意图。
图8B是制件表面的第一加工层经激光烧蚀后，未经调焦的激光在第二加 工层形成较大的光斑。
图8C是本发明的制件表面的第一加工层经激光烧蚀后，经过调焦的激光 重新在第二加工层形成细小的聚焦光斑。
图9A-9C是本发明的在同一加工层的不同加工位置，自动调整激光焦距 使得每一加工位置的光斑直径一致的示意图。
图10是本发明一具体实施例中将脆硬材料制件加工成具有多个凹槽结构 的零件的示意图。
图11是图10所示实施例中，加工一个凹槽的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开的脆硬材料的三维激光精细加工系统，包括计算机控制系统、 三维动态聚焦扫描系统、脉冲激光器；
计算机控制系统，用于输入待加工零件的模型及加工图案的模型，根据该 零件的模型确定制件上的扫描加工区域，根据扫描加工区域的特征、加工图案 的模型及加工要求，确定扫描加工方案；
三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫 描加工区域进行激光加工过程。该三维动态聚焦扫描系统包括动态聚焦镜组、 X轴振镜、Y轴振镜、振镜控制单元，动态聚焦镜组包括Z轴振镜、两片聚焦 镜；Z轴振镜、两片聚焦镜、X轴振镜、Y轴振镜顺序设置于激光器发出的激 光光路上；振镜控制单元分别与X轴振镜、Y轴振镜、Z轴振镜的伺服电机相 连接，用于通过控制伺服电机动作而调整X轴振镜、Y轴振镜及Z轴振镜的镜 片的位置，使得激光光束聚焦于制件表面的不同位置上。
脉冲激光器可选择除远红外CO2激光外的多种激光，包括光纤激光、固体 激光或者半导体激光等，激光波长通常在500nm～1200nm范围。激光的平均功 率在20～200W可选，根据加工效率的要求和精度配置合适的激光功率，通常 情况下，功率越大加工速度越快，加工精度相应降低。
如图1、2所示，基于上述系统实现的脆硬材料的三维激光精细加工方法， 包括如下步骤：
S1：获取待加工零件的模型及加工图案的模型；
S2：根据待加工零件的模型，在制件上确定扫描加工区域；
S3：根据扫描加工区域的特征、加工图案的模型及加工要求，确定相应的 扫描加工方案；
具体包括：
S31：根据扫描加工区域的特征及加工要求，确定激光加工参数；
设定脉冲激光的光斑直径稳定控制在50μm以下，加工过程中，光斑直径 的大小保持不变；脉冲激光的脉冲宽度在10ns～50μs，脉冲频率范围为 10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度控 制在5～50μm；激光扫描线的间距(填充间距)与激光光斑直径之间的比值设 置于0.5～0.8之间。
S32：根据加工要求，确定加工层数；
根据加工深度要求，结合材料特性，确定为达到预设的加工深度所需加工 的层数。
S33：根据扫描加工区域的特征、加工图案的模型，针对每个加工层，确 定相应的扫描填充方案；
包括：
针对每个加工层，设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，结合图案填充 区的图案及轮廓特征，根据激光扫描线的间距、扫描线的角度，生成相适应的 扫描填充路径。
较佳的，为防止制件在同一方向上激光扫描产生各向异性，两两相邻的加 工层之间，激光扫描线互成一定的角度；也可以是加工一定层数后，变换扫描 线的角度，相应调整加工层的扫描填充路径。
同一加工层上各扫描线的长度与扫描填充区域的图案及轮廓特征相适应， 使得扫描线可以完全填充于整个图案填充区。
S34：动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀 一致；
为保证激光加工精度，整个激光加工过程中，均需自动调整激光焦距，使 得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致。具体的说：
如图8A所示，加工第一个加工层时，激光光斑精准地汇聚于制件表面的 第一加工层的第一加工位置，如图8B所示，当激光烧蚀去除一定厚度的材料 后，当前加工层相对第一加工层位置下移，若不调整激光焦距，当前加工层会 形成较大的光斑，激光的能量密度明显降低，无法有效烧蚀去除高熔点的材料， 同时还会加热基体材料，导致材料发生热变形，对于脆性材料还会造成热裂现 象；如图8C所示，本发明通过控制三维动态聚焦扫描系统自动调整焦距，使 得激光重新聚焦于制件表面的当前加工层的当前加工位置，以在当前加工层精 准地形成细小的聚集光斑，保证每个加工层的每个加工位置的焦斑均匀一致，实现精准可控的激光烧蚀加工工艺。
如图9所示，对于同一加工层，为保证激光加工精度，通过控制三维动态 聚焦扫描系统自动调整焦距，使得激光聚焦于每个加工位置的焦斑均匀一致。
S35：激光加工一定层厚(扫描去除一层或几层材料)后，变换激光扫描 填充方案；
变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填充路 径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。
S36：激光扫描加工一定层厚后，进行一次或多次的激光轮廓扫描；
如图3、4所示，典型的激光聚焦光斑，其强度分布通常呈高斯分布，光 斑中心的强度非常高，光斑边缘的强度较低，激光烧蚀材料后，通常会形成符 合一定加工深度要求的区域3、图案轮廓区2以及未加工区域1，其中，图案 轮廓区2的加工并不均匀、平直。
如图5A、5B、6A、6B所示，激光扫描填充一道时，图案轮廓区域2的加 工不平直；为提高加工精度，保证图案填充区加工深度的一致性，激光扫描线 的间距与激光光斑直径之间的比值设定在0.5～0.8之间，使得在后的激光扫描 线能够部分去除在前的激光扫描后的图案轮廓区，即便如此，经相邻两道激光 光斑扫描后，形成的搭接区域4与图案轮廓区2仍未达到理想的均匀平直状态， 还需进一步加工处理。
如图7A、7B所示，针对图案轮廓区2，进一步进行激光轮廓扫描，扫描 过程中，通过提高激光扫描速度或是减小激光光斑直径等方式减小激光光斑直 径，使得调整后的激光光斑直径与图案轮廓区的大小相适应，以将图案轮廓区 完整又平整地去除掉。
S4：控制三维动态聚焦扫描系统，使得激光光斑聚焦于尚未加工的制件表 面的扫描加工区域，动态控制该三维动态聚焦扫描系统，使其按照设定的扫描 加工方案对制件进行激光加工。
三维动态聚焦扫描系统按照扫描加工方案，对每一加工层按其对应的扫描 填充方案进行激光加工过程。加工过程中，动态聚焦扫描系统动态调整激光焦 距，使得每一加工层的每个加工位置保持均匀一致的激光焦斑，对于每一加工 层，系统自适应地调整为与该加工层对应的扫描填充方案，包括扫描线间距、 扫描线角度、扫描线于图案填充区内不同位置的扫描线长度等，实现激光对硬 脆材料的快速、精细、高效化加工过程。
如图10、11所示，于一具体实施例中，要求于碳化硅SiC材料制成的制 件表面加工出多个具有一定深度的凹槽，制备具有多个凹槽结构的零件，该零 件的加工要求是：单个凹槽的长、宽、深尺寸是10mm×10mm×1.2mm。
依本发明的加工方法，首先，获取具有多个凹槽结构的零件的三维模型和 加工图案的模型；根据该三维模型，确定制件上需进行激光加工的扫描加工区 域，本实施例中，每个凹槽对应一个扫描加工区域，多个凹槽分别对应相应的 扫描加工区域；针对每个扫描加工区域，分别设置相应的扫描加工方案，具体 包括：
采用光纤激光器，其功率为100W，激光波长为1060nm，脉冲宽度设定为 8μs，脉冲频率为100KHz。通过试验研究，激光光斑直径可精细聚焦到25μm， 激光扫描线速度1000mm/s，单脉冲激光可烧蚀去除厚度约30μm的SiC材料， 为达到加工深度1.2mm，估算需要烧蚀约40个加工层。于扫描加工区域内， 相邻两道激光扫描线的间距设置为15μm，即激光扫描线的间距与激光光斑直 径之间的比值为0.6。
针对每个加工层，设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，自适应生成相 应的扫描填充方案；激光扫描加工每个加工层后，进行激光轮廓扫描；整个激 光扫描加工过程中，动态进行激光调焦，使得激光聚焦于每个加工位置的激光 焦斑保持一致，保证每个加工位置的光斑直径均为25μm。
如图11所示，于第一加工层，激光扫描线呈水平方向于图案填充区内填 充扫描，每条扫描线的长度一致，第一加工层扫描填充结束后，对图案轮廓区 进行激光轮廓扫描(轮廓扫描一次或两次)；
于第二加工层，激光扫描线呈45度角方向于图案填充区内填充扫描，每 条扫描线的长度与图案填充区的轮廓相适应(方形填充区域的对角线处扫描线 最长)，使得呈角度扫描的扫描线能够填充于整个图案填充区；第二加工层扫 描填充结束后，进行激光轮廓扫描；
于第三加工层，激光扫描线呈垂直方向于图案填充区内填充扫描，每条扫 描线的长度一致，第三加工层扫描填充结束后，进行激光轮廓扫描；
于第四加工层，激光扫描线呈135度角方向于图案填充区内填充扫描，每 条扫描线的长度与图案填充区的轮廓相适应，使得呈角度扫描的扫描线能够填 充于整个图案填充区；第四加工层扫描填充结束后，进行激光轮廓扫描。
上述四种扫描填充方案循环进行，整个扫描过程中，自动调整激光聚焦， 直至扫描完成40个加工层为止，通过40层的激光填充扫描和相应的轮廓扫描， 激光烧蚀加工出高精度的凹槽，凹槽底部表面的粗糙度Ra达到1.0μm，实现 扫描加工区域内的均匀填充，扫描加工区域内每个加工层的加工位置都经历不 同扫描角度的脉冲激光烧蚀作用，且保持激光光斑直径的一致，能够实现不同 位置材料的均匀去除和三维图案的精细加工控制。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技 术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方 案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之 内。

Claims (10)

1.脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，包括计算机控制系统、三维动态聚焦扫描系统、脉冲激光器；
计算机控制系统，用于根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；
该扫描加工方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数，在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；同时在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。
三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。
2.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为0.5～0.8。
3.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。
4.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，所述激光加工参数包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程中，光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范围为5～50μm。
5.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，所述脉冲激光器可选择光纤激光、固体激光或者半导体激光，激光波长范围为500nm～1200nm，激光的平均功率范围为20～200W。
6.脆硬材料的三维激光精细加工方法，其特征在于，包括步骤：
S1：根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；
包括：
S11：确定激光加工参数，确定加工层数；
S12：在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；
S13：加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；
S14：每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；
S15：在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。
S2：动态控制一三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。
7.根据权利要求6所述的脆硬材料的三维激光精细加工方法，其特征在于，每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为0.5～0.8。
8.根据权利要求6所述的脆硬材料的三维激光精细加工方法，其特征在于，所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。
9.根据权利要求6所述的脆硬材料的三维激光精细加工方法，其特征在于，所述激光加工参数还包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程中，光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范围为5～50μm。
10.根据权利要求6所述的脆硬材料的三维激光精细加工方法，其特征在于，所述步骤S15中，进行激光轮廓扫描时，通过提高激光扫描速度或是减小激光光斑直径方式减小激光光斑直径，使得调整后的激光光斑直径与图案轮廓区的大小相适应。
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