CN114309964A - 在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法和系统，包括步骤：1)将钛合金工件置于操作台上；2)将激光器设于操作台的一侧；3)锁定发射频率为50K‑800K之间的一定值；4)所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦在操作台上的钛合金工件表面；5)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束X、Y、Z轴的移动，完成钛合金表面图案的激光标刻。该方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、单脉冲间能量一致性高的紫外超快激光，无需对钛合金材料表面处理即可实现加工一致性好的精密标刻。

Description

在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法和系统

技术领域

本发明涉及激光标刻技术领域，具体涉及一种在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法和系统。

背景技术

钛合金是以钛元素为基础加入其他元素组成的合金，因其具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。钛合金的密度一般在4.51g/cm³左右，仅为钢的60％。纯钛的强度只接近普通钢的强度，而一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，用于制造单位强度高、刚性好、质轻的零部件，例如飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

钛合金材料所具有物理化学性质给它带来了无与伦比的优势，但是在另一方面又带来了一些问题。例如，在钛合金材料上打标就是一个难以克服的问题。采用激光对钛合金进行打标是目前比较理想的打标方法。但是，直接用激光在钛合金材料上进行打标，在激光与材料相互作用的过程中，会对材料表面造成损伤，标识的表面容易产生裂纹。因此，有些研发人员就通过在钛合金材料的表面制备一层特殊材料的复合熔覆层，用激光雕刻复合熔覆层形成标识，防止损伤钛合金材料基体。这种激光打标方法程序复杂成本高。

因此，研发一种激光打标方法，能够直接在钛合金材料的表面进行打标，简化打标程序和打标成本，具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法和系统。该方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、单脉冲间能量一致性高的超快激光，无需对钛合金材料表面处理即可实现加工一致性好的精密标刻。

本发明提供的在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法，包括步骤：

1)将钛合金置于操作台上；

2)将激光器设于操作台的一侧；所述激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，所述高重复频率为 50K-800K，所述高能量单脉冲能量为20uJ-200uJ,所述单脉冲间能量差异≤± 5％；

3)锁定发射频率为50K-800K之间的一定值；

4)所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦在操作台上的钛合金工件表面；

5)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束X、Y、 Z轴的移动，完成钛合金表面图案的激光标刻。

进一步，所述经过光束传输光路的激光经光隔离器后输入到振镜。

进一步，所述单脉冲为单脉冲光子尖峰波，所述单脉冲宽度为1-15ps。

进一步，所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为355±5nm。

进一步，所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。

进一步，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路，所述光束传输光路为传输距离100-1000mm的传输光路组成。

进一步，所述振镜转速为100-10000转/秒。

进一步，所述场镜是F-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。

进一步，形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-25um。

本发明还听实现上述紫外超快激光精密标刻方法的标刻系统，所述系统包括操作台、激光器光路系统和控制器；

其中，所述操作台上设有传送带，所述传送带的一侧设有激光器光路系统和控制器，所述传送带传送钛合金工件到激光器光路系统的工作区域内，所述控制器分别与所述激光器光路系统、所述传送带的驱动机构连接；

激光器通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统和所述传送带的驱动机构完成钛合金工件标刻。

所述激光器光路系统包括装有激光器的承载柜和装载光路的四轴机器人，所述四轴机器人手臂底端设有激光打标头。

所述激光打标头旁边设置有位置传感器。

所述激光打标头旁边设置有CCD视觉系统。

所述整形光路与光束传输光路之间设置光闸。

所述光束传输光路与振镜之间设置光隔离器，隔离反射激光。

本发明所述锁频均匀能量单脉冲是指超快激光工作方式为锁定频率下均匀能量单脉冲周期性输出。

本发明的有益效果在于：

1.本发明方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、单脉冲间能量一致性高的超快激光，无需对钛合金材料表面处理即可实现加工一致性好的精密标刻。

2.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现标刻，而不是通过热至熔化作用来实现标刻，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、无崩边等现象。本发明也不需要表面制备复合熔覆层等，标记内容精细清晰、材料强度几乎不变。

3.本发明标刻方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，标刻时工件材料加工面的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，标刻的质量非常好。

4.本发明标刻方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。

5.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，光加工过程一致性好，钛合金表面清晰明亮，没有重复照射，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征参数。

附图说明：

图1为本发明在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻方法的原理示意图；

图2为实现本发明方法的标刻系统结构示意图；

图3为本发明方法在钛合金手术刀表面标刻的效果照片；

其中：1.紫外超快激光器；2.光路；2-1.整形光路；2-2.光束传输光路；3. 振镜；4.场镜；5.标刻工件 6.工位，7.控制器，8.反射镜，9.操作台，10.激光光路系统，11.位置传感器，12.传送带，13.光隔离器，14.激光打标头，15.CCD 视觉系统，16.四轴机器人手臂，17.四轴机器人，18.激光器承载柜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于钛合金的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法和系统进一步解释而本发明并不局限于以下实施例。

本发明用于钛合金的锁频单脉冲紫外超快激光精密标刻方法，包括步骤：

1)将钛合金5置于操作台9上；2)将激光器1设于操作台9的一侧；所述激光器1为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，所述高重复频率为50K-800K，所述高能量单脉冲能量为 20uJ-200uJ，,所述单脉冲间能量差异≤±5％；

3)锁定发射频率为50K-800K之间的一定值；

4)所述激光器发射的超快激光，经过整形光路2-1放大光束尺寸、再经过光束传输光路2-2输入到振镜3、再经过场镜4后聚焦在操作台9上的钛合金工件5表面；

5)在软硬件控制器7的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束X、 Y、Z轴的移动，完成钛合金5表面图案的激光标刻。

所述整形光路2-1、光束传输光路2-2和反射镜8构成光路2，经过光路2 的激光经光隔离器13后输入到振镜3。本发明工作原理示意图如图1所示。

步骤5)包括以下步骤：

1.设定激光发射参数及电平形式的激光脉冲同步信号，将所述激光脉冲同步信号和起始时间T1发送给软硬件控制器7，作为加工基准时间；

2.调试激光光束：光束经整形光路2-1、光闸和光束传输2-2，所述光闸由 TTL电平控制；所述软硬件控制器7向光闸发送控制其开关的信号以及起始时间 T2；

3.调试振镜：所述软硬件控制器7将振镜的5V高低电平形式的控制信号以及起始时间T3，发送给振镜3，

4.调试激光光束，经场镜4聚焦在操作台9附近，在场镜有效范围内工作。

5.通过软硬件控制器7将准备标刻的内容分解，得到可读格式的像素、直径、填充密度，走线路径和图形，其边界范围以不大于所述激光标刻机的区域边界为限。

6.根据切片图形内容和次序，以激光同步信号输入给软硬件控制器7作为时间基准，校准操作台的坐标为空间基准，经软硬件控制器7依次给振镜3、光闸、传送带的驱动机构发射控制信号，时间基准，延时时间和控制信号时序，进行整体时序校准以及初步打样。

7.根据初步打样效果，验证其与预设的效果符合程度，如果有差异，微调各个部件的工艺和参数，直到效果最佳，锁定参数，开始标刻。

本发明的步骤(2)优选地，所述激光器的发射频率为50KHz-500KHz之间的一定值,所述激光器发射的单脉冲能量为50-200uJ，更优选地，所述激光器的发射频率为100KHz-500KHz之间的一定值,所述激光器发射的单脉冲能量为 50-100uJ。

作为本发明的一个实施方案，所述光束传输光路2-2的传输距离为 100-1000mm；优选为100-800mm；更优选为500-800mm。

作为本发明的另一个实施方案，所述整形光路2-1为放大倍率为1-8倍的扩束光路；优选地，所述整形光路为放大倍率为2-6倍的扩束光路；更优选地，所述整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。

作为本发明的再一个实施方案，所述振镜的转速为100-10000转/秒；优选地，振镜的转速为400-5000转/秒；更优选地，振镜的转速为500-1000转/秒。

作为本发明的又一个实施方案，所述场镜为F-θ场镜或远心场镜4，焦距为 30-300mm；优选地，所述场镜为F-θ场镜或远心场镜，焦距为100-300mm；更优选地，所述场镜为F-θ场镜或远心场镜，焦距为150-250mm。

本发明还提供实现上述紫外超快激光精密标刻方法的标刻系统，其特征在于，所述系统包括操作台9、激光器光路系统10和控制器7；

其中，所述操作台9上设有传送带12，所述传送带12的一侧设有激光器光路系统10和控制器7，所述传送带12传送工位6上的钛合金工件5到激光器光路系统10的工作区域内，所述控制器7分别与所述激光器光路系统10、及所述传送带12的驱动机构连接；

激光器1通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机控制器7相连，计算机控制器7将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器1，并接收激光器1的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统10、及所述传送带12 的驱动机构完成标刻。

所述激光器光路系统10包括装有激光器1的承载柜18和装载光路2、3、4 的四轴机器人17，所述四轴机器人手臂16底端设有激光打标头14。

所述激光打标头旁边设置有位置传感器11。

所述激光打标头旁边设置有CCD视觉系统15。

所述整形光路2-1与光束传输光路2-2之间设置光闸。

所述光束传输光路2-2与振镜3之间设置光隔离器13，隔离反射激光。

本发明标刻系统结构示意图如图2所示。

实施例1：钛合金手术刀表面“钛金”图案的精密标刻

将激光器通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机相连，计算机将控制的激光功率，扫描速度，重复频率等信号输入到激光器，激光器为全固态皮秒激光器。控制器接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统10、及所述传送带12的驱动机构完成标刻。

锁定激光器的发射频率为100KHz,单脉冲能量为200uJ；

单脉冲为单脉冲光子尖峰波，单脉冲宽度为10ps。

激光波长为355±5nm。

激光器窗口光斑为1mm，发散角为1mrad。

整形光路为放大倍率为6倍的扩束光路，光束传输光路为传输距离1000mm 的传输光路组成。

振镜转速为5000转/秒。

场镜是F-θ场镜，焦距为100mm。

形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为15um。

使用上述激光器进行标刻：

(1)将要标刻的图像导入到计算机中；

(2)通过安装于计算机的激光标刻系统软件读取待标刻图像，设置激光输出功率、激光器重复频率和振镜工作频率；

打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行扫描，高能量的激光束透过钛合金在工作面上进行激光标刻。

标刻效果如图3所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在钛合金表面进行紫外超快激光精密标刻的方法，其特征在于，包括步骤：

1)将钛合金置于操作台上；

2)将激光器设于操作台的一侧；所述激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，所述高重复频率为50K-800K，所述高能量单脉冲能量为20uJ-200uJ,所述单脉冲间能量差异≤±5％；

3)锁定发射频率为50K-800K之间的一定值；

4)所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦在操作台上的钛合金工件表面；

5)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数，控制激光束X、Y、Z轴的移动，完成钛合金表面图案的激光标刻。

2.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述经过光束传输光路的激光经光隔离器后输入到振镜。

3.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述单脉冲为单脉冲光子尖峰波，所述单脉冲宽度为1-15ps。

4.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为355±5nm。

5.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。

6.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路，所述光束传输光路为传输距离100-1000mm的传输光路组成。

7.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述振镜转速为100-10000转/秒。

8.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，所述场镜是F-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。

9.根据权利要求1所述的紫外超快激光精密标刻方法，其特征在于，形成所述标刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-25um。

10.实现权利要求1所述紫外超快激光精密标刻方法的标刻系统，其特征在于，所述系统包括操作台、激光器光路系统和控制器；

其中，所述操作台上设有传送带，所述传送带的一侧设有激光器光路系统和控制器，所述传送带传送钛合金工件到激光器光路系统的工作区域内，所述控制器分别与所述激光器光路系统、所述传送带的驱动机构连接；

激光器通过数据线与安装有激光标刻系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统和所述传送带的驱动机构完成钛合金工件标刻。

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