專利名稱：基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式激光標(biāo)記方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式 激光沖擊方法和裝置,它能用于組合激光沖擊波標(biāo)記形成不同的三維標(biāo)識，有效 提高標(biāo)記效率。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代制造也對零部件的標(biāo)記和識辨提出了越來越高的要求， 一方面標(biāo)識本身 必須有較高的防偽性能，能有效地識辨零件，另一方面標(biāo)識必須不影響零件的使 用壽命。目前的激光標(biāo)記技術(shù)主要運(yùn)用激光熱效應(yīng)，在零件表面直接燒蝕形成標(biāo) 記圖案。但是，這種利用激光燒蝕熱效應(yīng)的標(biāo)記方式存在兩個主要缺點(diǎn)。第一， 激光燒蝕將金屬零件的表面材料去除一層，從而破壞了材料表面殘余應(yīng)力狀態(tài)， 形成殘余拉應(yīng)力狀態(tài)和微細(xì)的裂紋。在零件受到交變載荷的狀態(tài)下，這標(biāo)記區(qū)變 成了天然的疲勞源，從而萌生裂紋造成疲勞破壞。第二，防偽性能差。從這點(diǎn)考 慮，激光燒蝕熱效應(yīng)打標(biāo)也不適合這些關(guān)鍵零部件的打標(biāo)。由此，美國利弗莫爾 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Dance C Brent和Hackel Lloyda等人在2001年申報(bào)了激光噴 丸打標(biāo)專禾U (Identification marking by means of laser peening， Patent Number: Wo0161619， 2001-08-23)，也是利用激光沖擊波力效應(yīng)的無損打標(biāo)。但 由于采用了采用二進(jìn)制編碼形成能被條形碼機(jī)器識別的矩陣標(biāo)記，不能標(biāo)記復(fù)雜 圖形，防偽性不是太高。隨后,江蘇大學(xué)激光技術(shù)研究所張永康和殷蘇民等人申報(bào)了一種基于液晶掩 膜的激光沖擊波三維高防偽無損標(biāo)識的方法和裝置(激光沖擊波三維高防偽無損 標(biāo)識的方法和裝置[P]，專利申請?zhí)?00510037968.2，申請人江蘇大學(xué)，申 請日2005.3.4)，它將激光沖擊波對材料的無損性與液晶掩膜灰度的可控性結(jié) 合起來，來獲取不同時間和空間分布的塑性變形力以實(shí)現(xiàn)三維塑性變形。但由于 有機(jī)材料本身對激光吸收率較高，同時液晶的損壞閾值較低，實(shí)際操作中很容易 破壞液晶，很難獲得較好的效果。
本發(fā)明的目的是要提供一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式激光標(biāo)記方 法和裝置。利用激光誘導(dǎo)的高幅沖擊波力學(xué)效應(yīng)，使金屬零件發(fā)生塑性變形。這 一過程中成形壓力高達(dá)GPa量級，應(yīng)變率高達(dá)10、—1，能有效改變沖擊區(qū)域的殘 余應(yīng)力狀況，獲得較低的表面粗糙度，提高標(biāo)記區(qū)域的硬度等。它通過控制激光 脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀以及不同規(guī)格的柔性貼膜，將不同作用條件下的 標(biāo)識按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行組合，可以在工件表面標(biāo)記出立體圖形標(biāo)識。不需 要制作掩模，生產(chǎn)周期降低。實(shí)施該方法的裝置包括控制系統(tǒng)、光束空間調(diào)制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)，其特 征在于設(shè)有標(biāo)識特征采集系統(tǒng)、激光發(fā)生器陣列，控制系統(tǒng)控制激光發(fā)生器陣列、工件夾具系統(tǒng)和標(biāo)識特征采集系統(tǒng)；工件夾具系統(tǒng)包括覆蓋柔性貼膜的工件、 工件夾具、工作臺。標(biāo)識特征采集系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)，激光參數(shù)將作為標(biāo)識特征的一部分被標(biāo) 識特征采集系統(tǒng)收集起來；光束空間調(diào)制系統(tǒng)主要起勻光和調(diào)焦作用，由幾組透 鏡組成，光束由激光發(fā)生器陣列發(fā)出后經(jīng)過光束空間調(diào)制系統(tǒng)，可得到空間分布 均勻、光斑尺寸適中的一組光束；這組光束作用于工件后即可形成深淺不同的標(biāo) 記，隨著工件不斷沿既定方向移動，即可形成按一定編碼方式的標(biāo)識?；诩す鉀_擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式激光標(biāo)記方法，其特征在于將激光發(fā)生 器陣列發(fā)出的激光沖擊波作為材料發(fā)生塑性變形的力源，激光發(fā)生器控制系統(tǒng)同 時控制每個激光發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行沖擊形成所需的標(biāo)記，無需掩膜，其實(shí) 施過程如下(1) 根據(jù)零件的標(biāo)記區(qū)尺寸和材料，選擇柔性貼膜，并將柔性貼膜貼在零 件表面；(2) 根據(jù)零件標(biāo)記的形狀和尺寸，設(shè)定激光發(fā)生器陣列的相關(guān)參數(shù)，選擇 激光工藝參數(shù)脈沖能量10~100焦?fàn)?、脈沖寬度8~80納秒以及激光沖擊軌跡和沖擊次數(shù)1 100次；激光束經(jīng)光束空間調(diào)制系統(tǒng)均勻化調(diào)制，匯聚在工件表面 的柔性貼膜上；柔性貼膜表層汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波， 在沖擊波力效應(yīng)的作用下材料發(fā)生塑性變形，工件夾具系統(tǒng)控制工件的位置，每 個脈沖作用后，調(diào)整每個激光發(fā)生器的參數(shù)，按既定的軌跡移動工件的位置，從
而形成三維標(biāo)記；(3)記錄過程中每個激光脈沖對應(yīng)的激光發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)、激光發(fā)生器 的排列方式等作為標(biāo)識特征的一部分被標(biāo)識采集系統(tǒng)收集起來，作為識辨標(biāo)識的 重要依據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 將不同條件下的單點(diǎn)標(biāo)識按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行組合，可以在工 件表面標(biāo)記出立體圖形標(biāo)識。同時不需要制作掩模，生產(chǎn)周期降低， 有較高的應(yīng)用價值。(2) 由于使用激光發(fā)生器控制系統(tǒng)控制激光發(fā)生器陣列，光束強(qiáng)弱分布 隨時變換，標(biāo)識采集系統(tǒng)在線采集標(biāo)識特征，通過標(biāo)識采集系統(tǒng)采 集的標(biāo)識特征就可快速地識辨，具備了較高的防偽性。由于不同激光參數(shù)下的激光脈沖作用于工件表面時，會在工件表面形成不同 深度的圖案。通過激光發(fā)生器控制系統(tǒng)和工作臺控制系統(tǒng)的精確控制，可以將這 些圖案按照預(yù)定的方式組合起來，形成了三維標(biāo)識。由于激光沖擊能在零件表面 產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，并提高標(biāo)記區(qū)域的表面粗糙度和硬度，因此有效提高零 件的疲勞壽命。因此激光沖擊波標(biāo)識不僅不影響零件的使用，而且能提高工件的 疲勞壽命，是一種新型的無損標(biāo)識。此外，該系統(tǒng)還可以大面積的激光沖擊強(qiáng)化。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置示意圖。l.激光發(fā)生器電源 2.激光發(fā)生器陣列 3.光束空間調(diào)制系統(tǒng) 4.覆 蓋柔性貼膜的工件 5.工件夾具 6.工作臺 7.激光發(fā)生器器控制系統(tǒng) 8.標(biāo)識特征采集系統(tǒng)9.三維標(biāo)識圖2是三維標(biāo)識示意圖，其中激光發(fā)生器陣列顏色深淺表示不同的激光能量 密度，與之相對應(yīng)的是標(biāo)記區(qū)域的不同深度。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1、 2詳細(xì)說明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
由圖1，該裝置包括激光發(fā)生器電源1、激光發(fā)生器陣列2、光束空間調(diào)制系 統(tǒng)3、覆蓋柔性貼膜的工件4、工件夾具5、工作臺6、激光發(fā)生器器控制系統(tǒng)7、 標(biāo)識特征采集系統(tǒng)8組成。根據(jù)零件的標(biāo)記區(qū)尺寸和材料，選擇特定的吸收層，起到增強(qiáng)沖擊波作用效 果與保護(hù)被標(biāo)記工件的作用。根據(jù)零件標(biāo)記的形狀和尺寸，制定工藝方案，對激 光發(fā)生器進(jìn)行一定的排列，設(shè)定激光發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)，包括激光脈沖能量、光 斑直徑、脈寬以及光束的空間分布，對于標(biāo)記圖案較深的地方可以采取重復(fù)沖擊 的辦法。按照標(biāo)記的形狀，用工作臺控制系統(tǒng)控制工件的位置，每個脈沖作用后 按既定的軌跡移動工件的位置。標(biāo)記過程中每個激光脈沖對應(yīng)的激光發(fā)生器的相 關(guān)參數(shù)、激光發(fā)生器的排列方式等作為標(biāo)識特征的一部分被標(biāo)識采集系統(tǒng)收集起 來。激光發(fā)生器產(chǎn)生能量在10 100焦?fàn)枴⒊掷m(xù)時間為8 80納秒的激光脈沖， 激光沖擊軌跡和沖擊次數(shù)1 100次，激光束的光斑模式可以是基模、多模等多 種模式。經(jīng)過設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，不同能量密度的激光脈沖有激光發(fā)生器陣列發(fā)出， 經(jīng)過光束空間調(diào)制系統(tǒng)后，形成均勻的空間能量分布，作用到工件表面的柔性貼 膜上，由于能量密度不同，產(chǎn)生的激光沖擊波壓力也不同，在工件表面形成深淺 不同的三維標(biāo)識。工作臺控制裝置控制工件夾具沿一定軌跡移動，見圖2，最終 形成了有較高防偽性能的三維無損防偽標(biāo)識。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式激光標(biāo)記裝置，包括控制系統(tǒng)、光束空間調(diào)制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有標(biāo)識特征采集系統(tǒng)、激光發(fā)生器陣列，控制系統(tǒng)控制激光發(fā)生器陣列、工件夾具系統(tǒng)和標(biāo)識特征采集系統(tǒng)；工件夾具系統(tǒng)包括覆蓋柔性貼膜的工件、工件夾具、工作臺。
2. 實(shí)現(xiàn)基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式激光標(biāo)記方法，其特征在于將激光 發(fā)生器陣列發(fā)出的激光沖擊波作為材料發(fā)生塑性變形的力源，激光發(fā)生器控制系 統(tǒng)同時控制每個激光發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行沖擊形成所需的標(biāo)記，無需掩膜， 其實(shí)施過程如下-(1) 根據(jù)零件的標(biāo)記區(qū)尺寸和材料，選擇柔性貼膜，并將柔性貼膜貼在零 件表面；(2) 根據(jù)零件標(biāo)記的形狀和尺寸，設(shè)定激光發(fā)生器陣列的相關(guān)參數(shù)，選擇 激光工藝參數(shù)脈沖能量10~100焦?fàn)枴⒚}沖寬度8~80納秒以及激光沖擊軌跡和沖擊次數(shù)1 100次；激光束經(jīng)光束空間調(diào)制系統(tǒng)均勻化調(diào)制，匯聚在工件表面 的柔性貼膜上；柔性貼膜表層汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波， 在沖擊波力效應(yīng)的作用下材料發(fā)生塑性變形，工件夾具系統(tǒng)控制工件的位置，每 個脈沖作用后，調(diào)整每個激光發(fā)生器的參數(shù)，按既定的軌跡移動工件的位置，從 而形成三維標(biāo)記；(3) 記錄過程中每個激光脈沖對應(yīng)的激光發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)、激光發(fā)生器 的排列方式等作為標(biāo)識特征的一部分被標(biāo)識采集系統(tǒng)收集起來，作為識辨標(biāo)識的 重要依據(jù)。
全文摘要
一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的陣列式激光沖擊方法和裝置，涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于將激光發(fā)生器陣列發(fā)出的激光沖擊波作為材料發(fā)生塑性變形的力源，激光發(fā)生器控制系統(tǒng)同時控制每個激光發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行沖擊形成所需的標(biāo)記，無需掩膜，本發(fā)明通過控制激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀以及不同規(guī)格的柔性貼膜，將不同作用條件下的標(biāo)識按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行組合，可以在工件表面標(biāo)記出立體圖形標(biāo)識。不需要制作掩模，生產(chǎn)周期降低。
文檔編號B23K26/18GK101157159SQ20071013557
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者周立春, 張永康, 偉 王, 秦海永, 許仁軍, 魯金忠 申請人:江蘇大學(xué)