CN114473225A - 一种无损式激光冲击打标装置及打标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无损式激光冲击打标装置及打标方法，在待冲击金属表面增加吸收保护层，吸收保护层带有与打标需求一致的编码信息，在进行激光冲击打标过程中由于激光作用汽化、电离、形成***等离子体，生成带有编码信息的冲击波，冲击波作用到待冲击打标金属部件上，最终在待冲击打标金属部件上形成编码；本发明能够实现金属部件的无损伤打码，降低对激光光源的稳定性与精度需求，既保护金属部件不被激光烧蚀破坏，同时在金属表面产生压应力，增强金属部件的耐疲劳、防腐蚀和高周疲劳寿命。

Description

一种无损式激光冲击打标装置及打标方法
技术领域
本发明涉及金属表面激光加工技术领域，具体涉及一种无损式激光冲击打标装置及打标方法。
背景技术
激光以其优异特性广泛应用于多个领域，其中，激光冲击强化(LSP)技术基于高峰值功率(GW级)纳秒级脉冲激光与金属材料相互作用产生高压冲击波，使金属表层发生塑性形变，形成残余压应力、高密度位错和表面纳米化，大大改善其物理与机械性能，显著提升金属材料抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀等性能；作为一种先进的金属表面加工手段，激光冲击强化技术在航空航天及国防、船舶制造、核工业、石油化工、生物医疗、轨道交通、电网电力等领域核心部件的性能提升方面极具应用价值，并得到越来越广泛的应用和发展。
另一方面，在高性能金属部件加工生产、使用及维修过程中，需要对金属部件进行标记以保证金属部件溯源，利于金属部件生产、组装及维修，常规标记手段包括油墨标记、钢印标记及激光烧蚀标记等，这些标记手段存在较明显的缺陷问题，比如油墨标记易消退不耐久、钢码压印严重破坏金属部件状态且清晰度低，激光烧蚀标记同样破坏了金属部件的表面状态，导致金属部件表面缺陷加重，带来金属部件裂纹萌生及恶化，严重影响金属部件的耐疲劳、防腐蚀及使用寿命。
激光冲击强化技术利用激光诱导冲击波的力学效应在金属部件表面形成塑性形变结构使得无损式激光打标变为可能，美国专利US 6423935，提出利用激光冲击波力学效应进行无损打标，其主要采用光调制器件对激光进行调控，借助调控光作用到金属部件表面进行冲击打标，该方案对激光器稳定性、高质量光调制器件的研制提出苛刻要求。中国专利CN101332728B公开了“压印式激光打标方法及装置”，提出用脉冲激光与金属部件表面直接作用产生冲击波，借助约束层实现冲击波对金属部件冲击产生塑性形变，进而实现金属部件表面打标，该方案使用高峰值功率脉冲激光直接照射金属部件表面，会带来金属表面粗糙度的恶化，同时由于不同金属部件对激光的吸收率不同，对激光器输出能量提出更高要求。
发明内容
技术目的：针对现有打标装置在打标过程中会对金属表面产生局部破坏，影响产品质量的不足，本发明公开了一种可实现金属部件快速、无损伤打标，大大提升金属部件无损伤打标质量和加工效率的无损式激光冲击打标装置及打标方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种无损式激光冲击打标装置，包括用于进行待打标金属切换的加工输送平台，用于产生激光的激光器，用于将激光传输至待打标金属表面的激光传输镜组，用于在激光冲击打标时送水并在待打标金属表面形成水约束层的送水模块，用于对激光冲击打标进程控制的总控制器以及贴合在打标金属表面的吸收保护层，吸收保护层带有与打标要求一致的编码信息；总控制器与加工输送平台的驱动部电连接，通过总控制器控制加工输送平台进行待打标金属的切换。
优选地，所述吸收保护层采用编码胶带，编码胶带上编码区域的厚度为编码胶带整体厚度的一半。
优选地，所述加工输送平台采用转轴式移动平台，包括水平设置的转动平台，在转动平台的下方设有用于带动转动平台进行转动的伺服电机，伺服电机与总控制器电连接。
优选地，所述激光器采用脉冲激光器，脉冲激光器的光斑为矩形光斑。
优选地，所述激光器的脉冲能量为2-10J，脉冲宽度为10-15ns,工作频率为1-25Hz。
优选地，所述激光传输镜组包括沿光路方向设置的反射镜组和聚焦镜组，激光器发射的激光依次经过反射镜组和聚焦镜组后照射到待打标金属上。
本发明还提供一种基于上述无损式激光冲击打标装置的打标方法，包括步骤：
S01、先将含有待冲击打标编码信息的吸收保护层紧贴在待打标金属的表面；并经待打标金属按照顺序置于加工输送平台上；
S02、然后启动总控制器与加工输送平台，将待打标金属移动至激光作用区域，送水模块在待打标金属表面形成1-2mm的水约束层。
S03、开启激光器，激光器输出的激光透过水约束层照射至吸收保护层上，吸收保护层带有编码信息的部分在激光作用下汽化、电离、形成***等离子体，生成带有编码信息的冲击波，冲击波作用到待打标金属上，最终在待打标金属部件上形成编码；
S04、最后，总控制器控制加工输送平台进行切换，将下一待打标金属移动至打标区域，重复步骤S01-S03进行金属的冲击打标。
有益效果：本发明所提供的一种无损式激光冲击打标装置及打标方法具有如下有益效果：
1、本发明使用带有编码信息的吸收保护层进行金属表面的冲击打标，既保护金属部件不被激光烧蚀破坏，降低了对激光发射功率的精度要求；同时在金属表面产生压应力，增强金属部件的耐疲劳、防腐蚀和高周疲劳寿命。
2、本发明吸收保护层采用编码胶带，并且编码胶带上的编码区域厚度与胶带整体厚度的一半，可以保证在进行激光冲击打标时，带有编码信息的区域率先实现汽化、电离，以保证形成带有编码信息的冲击波，完成金属的冲击打标，编码胶带的其余区域因厚度较厚，不会对编码结果造成影响，保证打标质量和正确率。
3、本发明加工输送平台采用带有伺服电机的转动平台，通过伺服电机带动转动平台转动，在保证激光冲击打标位置不变的情况下，实现金属部件批量化打标作业。
4、本发明的激光器输出光斑为矩形光斑，可方便激光冲击搭接，提升冲击打标加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明装置工作原理示意图；
图3为本发明打标产品成品图；
其中，1-加工输送平台、2-激光器、3-送水模块、4-总控制器、5-转动平台、6-反射镜组、7-聚焦镜组。
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示为本发明所公开的一种无损式激光冲击打标装置，包括用于进行待打标金属切换的加工输送平台1，用于产生激光的激光器2，用于将激光传输至待打标金属表面的激光传输镜组，用于在激光冲击打标时送水并在待打标金属表面形成水约束层的送水模块3，用于对激光冲击打标进程控制的总控制器4以及贴合在打标金属表面的吸收保护层，吸收保护层带有与打标要求一致的编码信息；总控制器4与加工输送平台1的驱动部电连接，通过总控制器4控制加工输送平台1进行待打标金属的切换。激光传输镜组包括沿光路方向设置的反射镜组6和聚焦镜组7，激光器2发射的激光依次经过反射镜组6和聚焦镜组7后照射到待打标金属上，光路传输如图2所示；通过吸收保护层进行金属冲击打标过程中的防护，可以避免激光直接作用引起的金属表面破坏，同时降低对激光功率的控制需求。
为能够保证编码信息的准确性同时降低吸收保护层的生产制造难度，本发明的吸收保护层采用编码胶带，将所需的编码信息预输入编码模块内，由编码模块按照输入的编码信息在编码胶带上印上所需编码，编码胶带上编码区域的厚度为编码胶带整体厚度的一半，编码胶带的整体厚度优选100微米，相应的编码区域厚度为50微米。在激光器发出的高峰值功率脉冲激光照射带编码胶带上产生带编码信息的冲击波，实现在金属表面冲击打标生成编码，同时可以保护待打标金属不被高峰值功率脉冲激光烧蚀破坏，在金属表面产生压应力，增强金属部件的耐疲劳、防腐蚀和高周疲劳寿命。
为在有限的空间内，能够快速进行待打标金属的切换，提高打标效率，本发明的加工输送平台1采用转轴式移动平台，包括水平设置的转动平台5，在转动平台5的下方设有用于带动转动平台5进行转动的伺服电机，伺服电机5与总控制器4电连接，通过总控制器4控制伺服电机5的转动；为便于在进行冲击打标时进行激光位置的定位，本发明的所述激光器2采用脉冲激光器，脉冲激光器的光斑为矩形光斑，激光器2的脉冲能量为2-10J，脉冲宽度为10-15ns,工作频率为1-25Hz；打标产品成品如图3所示。
本发明还提供一种基于所述无损式激光冲击打标装置的打标方法，包括步骤：
S01、先将含有待冲击打标编码信息的吸收保护层紧贴在待打标金属的表面；并经待打标金属按照顺序置于加工输送平台上；
S02、然后启动总控制器与加工输送平台，将待打标金属移动至激光作用区域，送水模块在待打标金属表面形成1-2mm的水约束层。
S03、开启激光器，激光器输出的激光透过水约束层照射至吸收保护层上，吸收保护层带有编码信息的部分在激光作用下汽化、电离、形成***等离子体，生成带有编码信息的冲击波，冲击波作用到待打标金属上，最终在待打标金属部件上形成编码；
S04、最后，总控制器控制加工输送平台进行切换，将下一待打标金属移动至打标区域，重复步骤S01-S03进行金属的冲击打标。
下面为本发明提供的一个实施例的具体参数，总控制器4为8寸工业平板电脑，内置激光器控制软件、转动工作平台控制软件和送水模块驱动软件，外形尺寸23cm×18cm×5cm，总重2kg；激光器2为中心波长1064nm的固体激光器，工作环境20℃到30℃，工作频率1-25Hz，输出能量2-10J，脉宽10-15ns，方形光斑输出，外形尺寸200cm×120cm×80cm；转动平台5为转盘式结构，工作台面直径1.5m，高度80cm；聚焦镜组7为平凸聚焦镜，Ф50×5mm，焦距f=2000mm，反射镜组6为1064nm@45°高反的长条形镜片，尺寸50×30×5；用于制作吸收保护层编码模块5尺寸80cm×60cm×100cm，制作5cm宽编码胶带。送水模块6为小流量水泵***，流量调节范围0.5-5L/min。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无损式激光冲击打标装置，其特征在于，包括用于进行待打标金属切换的加工输送平台（1），用于产生激光的激光器（2），用于将激光传输至待打标金属表面的激光传输镜组，用于在激光冲击打标时送水并在待打标金属表面形成水约束层的送水模块（3），用于对激光冲击打标进程控制的总控制器（4）以及贴合在打标金属表面的吸收保护层，吸收保护层带有与打标要求一致的编码信息；总控制器（4）与加工输送平台（1）的驱动部电连接，通过总控制器（4）控制加工输送平台（1）进行待打标金属的切换。
2.根据权利要求1所述的一种无损式激光冲击打标装置，其特征在于，所述吸收保护层采用编码胶带，编码胶带上编码区域的厚度为编码胶带整体厚度的一半。
3.根据权利要求1所述的一种无损式激光冲击打标装置，其特征在于，所述加工输送平台（1）采用转轴式移动平台，包括水平设置的转动平台（5），在转动平台（5）的下方设有用于带动转动平台（5）进行转动的伺服电机，伺服电机（5）与总控制器（4）电连接。
4.根据权利要求1所述的一种无损式激光冲击打标装置，其特征在于，所述激光器（2）采用脉冲激光器，脉冲激光器的光斑为矩形光斑。
5.根据权利要求4所述的一种无损式激光冲击打标装置，其特征在于，所述激光器（2）的脉冲能量为2-10J，脉冲宽度为10-15ns,工作频率为1-25Hz。
6.根据权利要求1所述的一种无损式激光冲击打标装置，其特征在于，所述激光传输镜组包括沿光路方向设置的反射镜组（6）和聚焦镜组（7），激光器（2）发射的激光依次经过反射镜组（6）和聚焦镜组（7）后照射到待打标金属上。
7.根据权利要求1-6所述的任一所述的一种无损式激光冲击打标装置的及打标方法，其特征在于，包括步骤：
S01、先将含有待冲击打标编码信息的吸收保护层紧贴在待打标金属的表面；并经待打标金属按照顺序置于加工输送平台上；
S02、然后启动总控制器与加工输送平台，将待打标金属移动至激光作用区域，送水模块在待打标金属表面形成1-2mm的水约束层；
S03、开启激光器，激光器输出的激光透过水约束层照射至吸收保护层上，吸收保护层带有编码信息的部分在激光作用下汽化、电离、形成***等离子体，生成带有编码信息的冲击波，冲击波作用到待打标金属上，最终在待打标金属部件上形成编码；
S04、最后，总控制器控制加工输送平台进行切换，将下一待打标金属移动至打标区域，重复步骤S01-S03进行金属的冲击打标。
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