CN117047262A - 一种反馈型激光金属材料加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反馈型激光金属材料加工系统。使用激光烧蚀材料产生的羽辉作为判断激光强度的媒介，从而解决了无法获知加工位置处实际光强的问题，使用羽辉产生的光强可以直接利用激光诱导击穿光谱的特征谱线，方便快捷，且实际加工时，激光的能量理论上可以超过能量计的检测阈值，或者，可以在离焦位置处下使用能量计测定能量，加工时将工件放在聚焦位置；使用计算机适时调节激光的输出功率，可以精确的控制加工过程，保证加工参数的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及反馈型激光金属材料加工系统及方法。
背景技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
申请号CN201921011572.4提供了一种激光功率反馈调节模块及激光加工设备，包括渐变透过率镜片、采样镜片、光电探头、控制器、上位机以及电机，渐变透过率镜片和采样镜片沿激光光路依次设置，渐变透过率镜片竖直设置在电机的输出轴上，光电探头位于所述采样镜片一侧，光电探头、控制器、上位机以及电机依次电连接，采样镜片用于透过大部分激光，并分出小部分激光到光电探头，光电探头用于将接收到的激光信号转换为电压信号并传递给控制器，控制器用于将光电探头转换的电压信号上传给上位机，上位机用于根据给定的激光功率值控制电机调节渐变透过率镜片的偏转角度。
申请号CN201720055749.5公开了一种具有激光功率实时反馈的紫外激光器加工装置，其包括上位机、与所述上位机电信号连接的紫外激光器、将所述紫外激光器发射出的激光进行垂直反射的第一45°全反透镜以及位于所述第一45°全反透镜背面的且与所述上位机电信号连接的功率反馈系统，所述功率反馈系统包括将所述第一45°全反透镜中的光信号转换成电信号的光电转换装置、与所述光电转换装置电信号连接的调理电路以及与所述调理电路电信号连接的控制器。
上述的反馈方式存在两个问题，一方面获取的并不是实际加工中的材料接收的激光的能量，这种没有办法避免由于后续的光学元件带来的能量影响，另一方面由于检测的器材的损伤阈值有限，因此即使反馈也不能使激光的能量过大，否则分光装置会受损。显然，直接将反馈的能量检测器放到加工位置附近是不可行的，因为激光加工的能量比较高，长时间照射能量计会损坏能量计，如果对激光加工位置附近的光进行分光，那么分光结构复杂又会导致与现有技术同样的问题，反馈光路和加工光路不一致，反馈效果不好。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种反馈型激光金属材料加工系统，包括激光器、同步器、转盘系统、测光系统、加工台和计算机；
激光器和转盘系统均连接同步器，同步器和测光系统连接计算机；
转盘系统具有多孔转盘，多孔转盘上围绕着盘的中轴线设置有多个靶材，靶材之间设置光孔，多个靶材的设置为以多孔转盘的中心点中心对称；
从激光器发出的光被反射镜反射后垂直入射到多孔转盘表面，多孔转盘旋转时，光孔和靶材交替出现在激光的照射位置；当激光入射到光孔时，激光穿过光孔入射到加工台上的金属材料表面；当激光入射到靶材表面时，激光烧蚀靶材表面产生羽辉，羽辉被测光系统测量，测光系统将测量的羽辉中的特征波长的强度发送给计算机，计算机根据特征波长的光强计算得到激光的能量，并根据计算得到的激光的能量控制激光器提高或者降低功率。
激光器为脉冲激光器，脉冲频率为1Hz至200Hz；能量范围50W至1000W。
同步器用于控制转盘和激光器同步旋转，使得每一个脉冲穿过光孔或者烧蚀靶材表面，而不会产生其他情况；计算机内可以调节同步器，从而调节转盘和激光器之间的延迟时间。
转盘系统还包括旋转电机和密闭腔室，密闭腔室设置有供激光进出的窗口，密闭腔室用于隔绝杂散光；旋转电机和多孔转盘均设置在密闭腔室内，旋转电机带动多孔转盘转动。
测光系统包括滤光片，测光镜头和CCD；滤光片设置在测光镜头的前端，用于滤除特征波长以外的杂光；测光镜头用于收集靶材被烧蚀时产生的羽辉的光，CCD用于测量羽辉中特征波长的光强。通过特征波长的光强就可以反映出激光在烧蚀位置的光强，如果光强发生变化则必然导致羽辉中特征波长的光强变化，就可以被计算机马上捕捉到；由于测量的位置距离实际加工位置很近，光路差异很小，因此可以解决现有技术的激光反馈由于反馈光路和实际光路差异导致的反馈效果不好的问题；
根据所述的反馈型激光金属材料加工系统进行金属材料加工的方法，包括如下步骤：
步骤1、将能量计放在加工台上，并将能量计连接计算机；启动激光器，在计算机内调节同步器，从而调节转盘和激光器之间的延迟时间；使得每一个脉冲穿过光孔或者烧蚀靶材表面；
步骤2、在计算机内观察能量计的读数E和CCD采集的光强I，然后调节激光器的输出功率，从而获得一组能量计的读数E和对应功率CCD采集的光强I；在计算机内建立E-I曲线，即每一个I都有一个E与之对应；
步骤3、关闭激光器，将能量计取下，将待加工的金属放置在加工台上，调节好所需的激光参数，并将靶材旋转到激光烧蚀的位置上，然后启动激光器，在计算机内获得一个CCD采集的光强I，然后计算机根据E-I曲线计算出一个能量E；
步骤4、调节计算机，控制激光器的功率，使得计算机计算的E满足加工所需的要求，对金属材料进行加工；
步骤5、加工过程中计算机不断根据CCD测量的光强I计算能量E，一旦计算的能量E不满足加工要求，则计算机自动调节激光器的功率，使得E重新满足加工要求。也就是说只要计算机测量的I对应的E低于所需的加工能量时，计算机控制激光器提高输出功率，直至计算机测量的I对应的E满足加工所需的能量；如果计算机测量的I对应的E高于所需的加工能量时，计算机控制激光器降低输出功率，直至计算机测量的I对应的E满足加工所需的能量；这里计算机控制激光器的功率调节的值可以根据计算的E与所需能量的比例调节。
有益效果：
本发明创造性的使用激光烧蚀材料产生的羽辉作为判断激光强度的媒介，从而解决了无法获知加工位置处实际光强的问题，使用羽辉产生的光强可以直接利用激光诱导击穿光谱的的特征谱线，方便快捷，且实际加工时，激光的能量理论上可以超过能量计的检测阈值，或者，可以在离焦位置处下使用能量计测定能量，加工时将工件放在聚焦位置；使用计算机适时调节激光的输出功率，可以精确的控制加工过程，保证加工参数的稳定。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的转盘系统的不同状态的示意图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
实施例1：
如图1和图2所示，一种反馈型激光金属材料加工系统，,包括激光器1、同步器2、转盘系统3、测光系统4、加工台5和计算机6。
激光器1和转盘系统3均连接同步器2，同步器2和测光系统4连接计算机6。激光器1为脉冲激光器，脉冲频率优选1Hz至200Hz；能量范围优选50W至1000W。同步器2用于控制转盘和激光器1同步旋转，使得每一个脉冲穿过光孔9或者烧蚀靶材8表面，而不会产生其他情况；计算机6内可以调节同步器2，可以设置转盘和激光器1之间的延迟时间。
转盘系统3具有多孔转盘7，多孔转盘7上围绕转盘的中轴线设置有多个靶材8，靶材8之间设置光孔9，多个靶材8的设置为以多孔转盘7的中心点中心对称；转盘系统3还包括旋转电机11和密闭腔室12，密闭腔室12设置有供激光进出的窗口，密闭腔室12用于隔绝杂散光；旋转电机11和多孔转盘7均设置在密闭腔室12内，旋转电机11带动多孔转盘7转动。
从激光器1发出的光被反射镜反射后垂直入射到多孔转盘7表面，多孔转盘7旋转时，光孔9和靶材8交替出现在激光的照射位置；当激光入射到光孔9时，激光穿过光孔9入射到加工台5上的金属材料表面；当激光入射到靶材8表面时，激光烧蚀靶材8表面产生羽辉，羽辉被测光系统4测量，测光系统4将测量的羽辉中的特征波长的强度发送给计算机6，计算机6根据特征波长的光强计算得到激光的能量，并根据计算得到的激光的能量控制激光器1提高或者降低功率。测光系统4包括滤光片13，测光镜头14和CCD 15；滤光片13设置在测光镜头14的前端，用于滤除特征波长以外的杂光；测光镜头14用于收集靶材8被烧蚀时产生的羽辉的光，CCD15用于测量羽辉中特征波长的光强。
实施例2：
根据所述的反馈型激光金属材料加工系统进行金属材料加工的方法，包括如下步骤：
步骤1、将能量计放在加工台5上，并将能量计连接计算机6；启动激光器1，在计算机6内调节同步器2，从而调节转盘和激光器1之间的延迟时间；使得每一个脉冲穿过光孔9或者烧蚀靶材8表面；
步骤2、在计算机6内观察能量计的读数E和CCD 15采集的光强I，然后调节激光器1的输出功率，从而获得一组能量计的读数E和对应功率CCD 15采集的光强I；在计算机6内建立E-I曲线，即每一个I都有一个E与之对应；
步骤3、关闭激光器1，将能量计取下，将待加工的金属放置在加工台5上，调节好所需的激光参数，并将靶材8旋转到激光烧蚀的位置上，然后启动激光器1，在计算机6内获得一个CCD15采集的光强I，然后计算机6根据E-I曲线计算出一个能量E；
步骤4、调节计算机6，控制激光器1的功率，使得计算机6计算的E满足加工所需的要求；然后调节同步器2，从而调节转盘和激光器1之间的延迟时间；使得每一个脉冲穿过光孔9或者烧蚀靶材8表面，对金属材料进行加工；
步骤5、加工过程中计算机6不断根据CCD15测量的光强I计算能量E，一旦计算的能量E不满足加工要求，则计算机6自动调节激光器1的功率，使得E重新满足加工要求。
本发明中使用的特征波长为靶材的激光诱导击穿光谱中的特征波长；靶材选自ZnO、Al2O3或其他氧化物陶瓷靶材，特征波长对应为Zn：481.1nm、Al：309.3nm或其他元素的击穿光谱特征波长。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种反馈型激光金属材料加工系统，其特征在于包括激光器(1)、同步器(2)、转盘系统(3)、测光系统(4)、加工台(5)和计算机(6)；其特征在于：
激光器(1)和转盘系统(3)均连接同步器(2)，同步器(2)和测光系统(4)连接计算机(6)；
转盘系统(3)具有多孔转盘(7)，多孔转盘(7)上围绕着盘的中轴线设置有多个靶材(8)，靶材(8)之间设置光孔(9)，多个靶材(8)设置为以多孔转盘(7)的中心点中心对称；
从激光器(1)发出的光被反射镜反射后垂直入射到多孔转盘(7)表面，多孔转盘(7)旋转时，光孔(9)和靶材(8)交替出现在激光的照射位置；当激光入射到光孔(9)时，激光穿过光孔(9)入射到加工台(5)上的金属材料表面；当激光入射到靶材(8)表面时，激光烧蚀靶材(8)表面产生羽辉，羽辉被测光系统(4)测量，测光系统(4)将测量的羽辉的光谱中的特征波长的强度发送给计算机(6)，计算机(6)能够根据特征波长的光强计算得到激光的能量，并且计算机能够根据计算得到的激光的能量控制激光器(1)提高或者降低功率。
2.根据权利要求1所述的反馈型激光金属材料加工系统，其特征在于：
激光器(1)为脉冲激光器，脉冲频率为1Hz至200Hz；能量范围50W至1000W。
3.根据权利要求1所述的反馈型激光金属材料加工系统，其特征在于：
同步器(2)用于控制转盘和激光器(1)同步工作，使得每一个激光脉冲穿过光孔(9)或者烧蚀靶材(8)表面，而不会产生其他情况；计算机(6)能够调节同步器(2)，从而调节转盘转速以及输入激光从激光器(1)到达转盘的延迟时间。
4.根据权利要求1所述的反馈型激光金属材料加工系统，其特征在于：
转盘系统(3)还包括旋转电机(11)和密闭腔室(12)，密闭腔室(12)设置有供激光进出的窗口，密闭腔室(12)用于隔绝杂散光；旋转电机(11)和多孔转盘(7)均设置在密闭腔室(12)内，旋转电机(11)带动多孔转盘(7)转动。
5.根据权利要求4所述的反馈型激光金属材料加工系统，其特征在于：
测光系统(4)包括滤光片(13)、测光镜头(14)和CCD(15)；滤光片(13)设置在测光镜头(14)的前端，用于滤除特征波长以外的杂光；测光镜头(14)用于收集靶材(8)被烧蚀时产生的羽辉的光，CCD(15)用于测量羽辉中特征波长的光强。
6.根据权利要求1-5任一项所述的反馈型激光金属材料加工系统进行金属材料加工的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、将能量计放在加工台(5)上，并将能量计连接计算机(6)；启动激光器(1)，在计算机(6)内调节同步器(2)，设置转盘和激光器(1)之间的延迟时间；保证每一个激光脉冲能够穿过光孔(9)或者烧蚀靶材(8)表面，而不会产生其他情况；
步骤2、在计算机(6)内观察能量计的读数E和CCD(15)采集的光强I，然后调节激光器(1)的输出功率为多个不同数值，从而测量一组能量计的读数E和对应功率CCD(15)采集的光强I；在计算机(6)内建立E-I曲线，即每一个I都有一个E与之对应；
步骤3、关闭激光器(1)，将能量计取下，将待加工的金属放置在加工台(5)上，调节好所需的激光参数，并将靶材(8)旋转到激光烧蚀的位置上，然后启动激光器(1)，在计算机(6)内获得一个CCD(15)采集的光强I，然后计算机(6)根据E-I曲线计算出一个能量E；
步骤4、调节计算机(6)控制激光器(1)的功率，使得计算机(6)计算的E满足加工所需的要求，对金属材料进行加工；
步骤5、加工过程中计算机(6)不断根据CCD(15)测量的光强I计算能量E，一旦计算的能量E不满足加工要求，则计算机(6)自动调节激光器(1)的功率，使得E重新满足加工要求。
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