專利名稱：一種掃描激光切割的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于切割涂裝或多層工件的方法，其中激光束具有低 平均功率與高峰值功率或高脈沖以沿切割路徑掃描若干轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
激光切割是使用激光去切割材料的技術(shù)，并且通常用在工業(yè)制造上。
激光切割原理是將輸出的高功率激光引導(dǎo)至被切割的材料。然后，材 料會熔化、燃燒或蒸發(fā)以留下具有高品質(zhì)的表面拋光的邊緣。
雖然激光切割相對于機(jī)器切割的優(yōu)點會隨著情況不同而改變，但是重 要的因素如下不會物理接觸(因為沒有會被材料污染或污染材料的切割 的邊緣)、切割形狀的彈性化以及更高的精度(因為激光沒有磨損)。由于 激光系統(tǒng)具有小的熱影響區(qū)，故被切割材料的扭曲機(jī)會較小。 一些材料通 過傳統(tǒng)方式切割也非常困難或不可能。
傳統(tǒng)上的，金屬片(如車身上的)在切割之前會被涂裝。這是因為大 多數(shù)切割技術(shù)都會產(chǎn)生熱量，這種熱量對靠近切割邊緣的涂料產(chǎn)生破壞效 果。由于靠近切割處的上升的溫度會導(dǎo)致長期腐蝕點增加，不同的涂層會 彼此分離也并非不常見。沖壓是一種用于在已經(jīng)涂裝的金屬片上制造孔的 方法。然而，在可視區(qū)域沖壓技術(shù)很難實現(xiàn)，因為會在車體上有大的變形 風(fēng)險。激光切割涂裝材料(如涂裝車身)有許多優(yōu)點。很多時候在車身涂 裝前就知道了終端客戶，并且決定采用一些附件和附加設(shè)備。通過在車輛 離開生產(chǎn)線的最后時刻切割一些客戶選擇的可選的孔如GPS導(dǎo)航天線、 尾翼、縱梁及各種塑料鑄件等的孔，可以將白車身的變型減至最少，因此 也在最后組裝前使儲存區(qū)域最小。裝配與導(dǎo)向孔可以在完成與涂裝后的車身上切割，以消除孔的幾何分層與偏差來制造更合適的零件同時也減少用 于組裝和調(diào)整的人力。
然而，當(dāng)用傳統(tǒng)的激光切割程序切割涂裝材料時，有時也能觀察到靠 近切割邊緣的熱影響區(qū)。
一種用來防止產(chǎn)生這些增加的腐蝕點的方法是使用具有低平均功率 同時帶有高峰值功率或高脈沖的激光器。激光器必須具有很高的光束質(zhì)量 及掃描光學(xué)器件以沿著設(shè)計的切割邊緣或切縫掃描激光束。多次掃描將在 形成切口的同時在涂層上釋放最小的熱量，因此減輕了長期腐蝕的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通過掃描的激光束切割涂裝的或多層工件的方法，其 特征在于該方法包括下列步驟
將從計算機(jī)輔助設(shè)計模型或其他合適繪圖程序得來的期望的原型裝 載進(jìn)計算機(jī)；
將涂裝的或多層的工件材料1放置在透鏡2下面；
激光器開始工作，由此激光束3被朝掃描鏡組4和5引導(dǎo)；
根據(jù)預(yù)編程的原型，通過掃描鏡4或掃描鏡組4和5為激光束導(dǎo)向；
激光束3沿著工件1上相同的預(yù)編程路徑7重復(fù)的掃過直到切穿工件 材料為止。
本發(fā)明一個實施例中的激光器是Q開關(guān)激光器。
本發(fā)明 一個實施例中使用的激光器是脈沖固態(tài)激光器。
本發(fā)明一個實施例中，當(dāng)使用Q開關(guān)激光器時，激光束以疊加的圓形 運(yùn)動。
本發(fā)明一個實施例中，激光束的波長為1000-1100nm，更適合的在 1010-1070mm之間。
本發(fā)明另一實施例中Q開關(guān)激光器的激光束的波長為1030nm。
本發(fā)明一個實施例中脈沖固態(tài)激光器的激光束的波長為1064nm。本發(fā)明一方面，脈沖固態(tài)激光器的脈沖持續(xù)時間為0.08 - 1.0 ms， 更適合的為0.1-0.3 ms，且最適合的為0.15ms。
本發(fā)明一方面，Q開關(guān)激光器的脈沖持續(xù)時間為0.02-1.0 ms，更適合 的為0.03-0.1 ms,且最適合的為0.05ms。
本發(fā)明一個實施例中脈沖固態(tài)激光器的脈沖重復(fù)頻率為0.1-1.5 kHz， 更適合的為0.1-0.5 kHz,且最適合的為250 Hz。
本發(fā)明一個實施例中Q開關(guān)激光器的脈沖重復(fù)頻率為10-30 kHz，更 適合的為15-25kHz,且最適合的為20Hz。
本發(fā)明一個實施例中脈沖固態(tài)激光器的平均輸出能量為65W。
本發(fā)明一個實施例中Q開關(guān)激光器的平均輸出能量為60W。


圖l揭示了根據(jù)本發(fā)明方法激光束切割工件。
具體實施例方式
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，下面提到的描述實施例僅僅是作 為范例，而非對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的專利權(quán)利范圍內(nèi)描述的其 他解決方法、使用、目標(biāo)及功能對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
通過使用具有低平均功率同時帶有高峰值功率或高脈沖，以及具 有很高的光束質(zhì)量及掃描光學(xué)器件的激光器，激光束沿著想要的切割 邊緣或切縫掃描。將被切割成的期望的形狀或原型可以從計算機(jī)輔助 設(shè)計(CAD)模型或其他合適的繪圖程序中得到，且應(yīng)當(dāng)編程入計算機(jī) 中。激光束的開關(guān)由計算機(jī)控制，且激光被光纖或束管引導(dǎo)至包括一 個或多個可動反射鏡的掃描光學(xué)器件，所述可動反射鏡可在一個平面 內(nèi)傳導(dǎo)光束。計算機(jī)控制可將激光束按照裝載在計算機(jī)內(nèi)的編程的原 型指向的掃描鏡。所述反射鏡由石英玻璃制成，該石英玻璃上涂上一 層可生成反射激光束波長的表面的物質(zhì)。所述的可動反射鏡(組)或 振鏡(組)由壓電電動機(jī)控制。如果使用兩個反射鏡，則其中一個反射鏡將激光引導(dǎo)至X方向，另一個反射鏡將激光引導(dǎo)至Y方向。通 過兩個反射鏡的移動組合，光束可在一個平面內(nèi)移動，例如制造圓形 孔或方形孔。激光束也可以被單個反射鏡引導(dǎo)。
由于高脈沖能量，在激光束每一次掃過時通過激光燒蝕將材料薄 層去除掉、先是涂料覆層，然后是金屬。多次掃過將最終形成切口， 而在涂層上釋放最小熱量。激光能量不被吸收的最大深度及因此被單 一激光脈沖所去除的材料量取決于材料的光學(xué)性能與激光的波長。激 光脈沖可在非常大的持續(xù)時間范圍(從毫秒到飛秒)內(nèi)變化，并可被 精確控制。燒蝕深度由材料的吸收深度與工作材料的汽化熱量決定。 深度也是關(guān)于光束能量密度、激光脈沖持續(xù)時間與激光波長的函數(shù)。 合適的激光器可以是脈沖激光器，其工作循環(huán)相對較低，通常用于激 光標(biāo)示或遠(yuǎn)程焊接，或者是可以關(guān)閉的連續(xù)激光器。然而，為了釋放 最小熱量效果，脈沖激光器更為可取的。合適的激光器可以是脈沖固 態(tài)激光器如HL101P，或Q開關(guān)激光器。
激光燒蝕有幾個關(guān)鍵參數(shù)需要考慮。首先要選擇具有最小吸收深 度的波長。這將確保高能量沉積在小空間內(nèi)以利于快速完整的燒蝕。 本發(fā)明中使用的波長在1000-1100nm范圍內(nèi)，更適合的是在 1010-1070 nm范圍。當(dāng)使用Q開關(guān)激光器時，較佳的波長是1030 nm， 而對脈沖固態(tài)激光器來說最佳的波長是1064 nm。
第二個參數(shù)是脈沖持續(xù)時間，所述脈沖時間必須非常短以最大化 峰值功率，從而將對工作材料的熱傳導(dǎo)保持最小。這與具有大質(zhì)量和 高頻的力函數(shù)的振動系統(tǒng)相似。這種結(jié)合可減小響應(yīng)幅值。 一旦激光 束射到材料表面上，材料就立即蒸發(fā)，這樣可以防止熱量傳導(dǎo)至周圍 的材料。對于脈沖固態(tài)激光器來說，使用時間范圍在0.08-1.0毫秒的 短脈沖，更適合的脈沖時間范圍是0.1-0.3 ms,最適合的脈沖時間是 0.15 ms。對于Q開關(guān)激光器來說，脈沖持續(xù)時間更短，為0.02-1.0 ms， 更適合的為0.03-0.1 ms，且最適合的脈沖時間是0.05 ms。
第三個參數(shù)是脈沖重復(fù)頻率。如果頻率太低，所有未被用于燒蝕的能量將離開燒蝕區(qū)被冷卻。如果余熱可以被保留，從而通過快速的 脈沖重復(fù)頻率來限制熱傳導(dǎo)的時間，燒蝕會更有效率。更多射入能量 將用于燒蝕，少部分的能量將損失在周圍的工作材料與環(huán)境中。對于
脈沖固態(tài)激光器來說，最理想的脈沖頻率在0.1-1.5 kHZ，更適合的 是在0.1-0.5 kHZ,且最適合的頻率是250 Hz。對于Q開關(guān)激光器來 說，適合的脈沖頻率在10-30 kHZ，更適合的是在15-25 kHZ，且最 適合的頻率是20 Hz。
第四個參數(shù)是以光束參數(shù)積(BBP, Beam Parameter Product)表 示的光束質(zhì)量。光束質(zhì)量可以通過亮度(能量)、聚焦性能及均勻性 來測量。本發(fā)明中兩種激光器的光束參數(shù)積都是l-15mmxmmd。如 果不能合適與有效地傳送到燒蝕區(qū)，光束能量就沒有用。此外，如果 不控制光束的尺寸，則燒蝕區(qū)可能會比期望的要大且在側(cè)壁上產(chǎn)生過 多的斜坡。本發(fā)明中脈沖固態(tài)激光器使用的最大脈沖能量為4KW， 平均脈沖能量為65 W。對于Q開關(guān)激光器使用的最大的脈沖能量為 3KW，平均脈沖能量為60W。在切割流程中會發(fā)現(xiàn)有時候激光束難 以切穿工件。在一定切割深度達(dá)到切穴的壁時，激光束就不能向更深 處再切割。為了解決這個問題，當(dāng)使用Q開關(guān)激光器時，激光束方 便地沿工件上的切割線以疊加的圓形運(yùn)動。這樣就產(chǎn)生光滑的且向切 口輕微傾斜的切割邊緣。
請參閱圖1，圖1描述了一種通過掃描激光束切割涂裝或多層工 件的方法。該方法包括以下步驟
1. 將從計算機(jī)輔助設(shè)計模型或其他合適繪圖程序得來的期望的 原型(未揭示)裝載進(jìn)計算機(jī)。
2. 將涂裝的工件材料或車身(1)放置在工作區(qū)且位于透鏡(2) 下面。
3. 激光器開始工作，由此激光束(3)被指向掃描鏡組(4， 5)。
4. 根據(jù)預(yù)編程的原型，掃描鏡(4)或掃描鏡組(4和5)通過 機(jī)器人或指示部件(未揭示)為激光束(3)引導(dǎo)。5.激光束(3)沿著工件或車身(1)上相同的預(yù)編程路徑(7) 重復(fù)地掃過直到切穿材料為止。
可選地，在第5步中激光束沿著工件的切割線以疊加的圓形(6) 運(yùn)動。
范例1
使用上面描述的方法，Q開關(guān)激光器被用來在厚度為0.8 mm的 鍍鋅金屬片上切割19X19 mm的方形孔，所述鍍鋅金屬片上覆蓋有 100Pm涂層。波長設(shè)置為1030 nm，脈沖頻率為20 kHZ，脈沖持續(xù) 時間為0.05ms，且激光束具有的平均能量為60 W。在光束切穿工料 之前，激光束需要轉(zhuǎn)72圈，花費(fèi)32秒。當(dāng)切割邊緣在顯微鏡下放大 25倍時，切割邊緣仍然光滑且在涂裝區(qū)沒有熱影響或變形的可見征 兆。
范例2
相同的Q開關(guān)激光器具有與范例2相同的參數(shù)，被用來在厚度 為0.8 mm的鍍鋅金屬片上切割19X19 mm的方形孔，所述鍍鋅金屬 片上覆蓋有400 ^m涂層。同樣，在本例中激光束需要轉(zhuǎn)72圈或花費(fèi) 32秒以切穿工料。
權(quán)利要求
1. 一種通過掃描激光束切割涂裝的或多層工件的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟a)將從計算機(jī)輔助設(shè)計模型或其他合適繪圖程序得來的期望的原型裝載進(jìn)計算機(jī)；b)將涂裝的或多層工件材料(1)放置在透鏡(2)下面；c)開啟激光器，由此激光束(3)被指向掃描鏡組(4和5)；d)根據(jù)預(yù)編程的原型，掃描鏡(4)或掃描鏡組(4和5)通過機(jī)器人或指示部件為激光束指向；e)激光束(3)沿著工件(1)上相同的預(yù)編程路徑(7)重復(fù)地掃過直到切穿工件材料為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用的激光器是Q開關(guān)激光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用的激光器是脈沖固態(tài)激光器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中步驟e)中的激光束以疊加的圓形 (6)運(yùn)動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中激光束的波長為1000-1100nm， 更適合的在1010-1070mm之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中Q開關(guān)激光器的激光束的波長 為1030nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中脈沖固態(tài)激光器的激光束的波長 為1064nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中脈沖固態(tài)激光器的脈沖持續(xù)時間 為0.08 — 1.0 ms，更適合的為0.1-0.3 ms，且最適合的為0.15 ms。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中Q開關(guān)激光器的脈沖持續(xù)時間為0.02-1.0 ms，更適合的為0.03-0.1 ms,且最適合的為0.05 ms。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中脈沖固態(tài)激光器的脈沖重復(fù)頻 率為0.1-1.5 kHz,更適合的為0.1-0.5 kHz,且最適合的為250Hz。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中Q開關(guān)激光器的脈沖重復(fù)頻率 為10-30 kHz，更適合的為15-25kHz，且最適合的為20Hz。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中脈沖固態(tài)激光器的平均輸出能 量為65W。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中Q開關(guān)激光器的平均輸出能量 為60W。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種掃描激光切割，特別是有關(guān)于一種適于切割多層或涂裝的材料，如車身的激光切割方法。所述方法包括低功率激光束沿設(shè)計的切割邊緣掃描若干轉(zhuǎn)。利用本發(fā)明的切割方法，位于切割邊緣上的涂料僅僅受到激光束產(chǎn)生的熱量的輕微影響。
文檔編號B23K26/38GK101301703SQ20081009810
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者尼古拉斯·帕爾姆奎斯特, 海倫娜·拉爾森 申請人:福特全球技術(shù)公司