利用雷射進行金屬材料深加工的方法
2023-10-28 03:03:37 2
專利名稱：利用雷射進行金屬材料深加工的方法
技術領域：
本發明涉及ー種利用雷射進行金屬材料深加工的方法，屬於金屬材料技術領域。
背景技術：
目前在エ業領域應用中，使用金屬材料作為設備、產品的外殼以及內部的機構件比較常見。在加工的エ序中經常會在不鏽鋼、鋁合金外売上加工出一定深度的需求。通過深度加工進入到下一道エ序的定位、鑲嵌，滿足產品的外形設計要求，起到美化產品布局的作用。現在普遍採用車、銑、CNC加工或者使用化學腐蝕進行深度加工。但是上述方法不能解決尖角、效率、設備耗材比較大以及收到材料的加工複雜性等問題。例如，CNC加工吋，由於受到刀具的限制，在彎曲的地方無法加工出帶有尖角的槽
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供ー種利用雷射進行金屬材料深加工的方法。利用雷射高功率密度，峰值功率高的特點結合塗料的特性對金屬材料進行加工的ー種方法，解決傳統加工方法不能解決的問題；可以配合傳統的加工方法，先利用銑加工大概輪廓後，再利用雷射加工出銑床未加工出的尖角部分，也可以直接利用雷射加工以滿足不同深度、效果、效率的要求。為達成上述目的，本發明提供ー種利用雷射進行金屬材料深加工的方法，所述方法包括以下步驟
A)利用CCD定位系統確定待加工金屬材料表面的加工位置；
B)在待加工金屬材料表面塗ー層親水性化合物，並通過空氣壓縮機對已塗上親水性化合物的待加工金屬材料表面進行製冷(通過空氣流動的方式製冷
達到減少某些物質的產生，減小邊緣熱影響和粗糙感)；
C)對步驟B)所得的待加工金屬材料表面進行雷射加工。優先地，其中所述步驟A)之前還包括採用銑削機加工出金屬材料所需形狀的最大輪廓的步驟。優先地，其中所述步驟A)具體為在鐳雕軟體中編輯出所述雕銑機未能完成的加工部分，利用CCD定位系統確定加工位置，並選擇平均輸出功率小於50W的光纖雷射器、F=160mm的聚焦鏡、紅外7X擴束鏡及高速掃描振鏡。優先地，其中所述高速掃描振鏡的掃描速度彡7000mm/s，重複定位精度<8uRad. /°C。優先地，其中所述步驟B)中的親水性化合物為氫氧化鈉或甘油。優先地，其中所述步驟C)具體為從光纖雷射器發出的脈衝光經過擴束鏡和掃描振鏡後聚焦到待加工金屬材料表面，配合所設定的雷射加工參數進行鐳雕，當加工深度達到預定值時，即可停止鐳雕。優先地，其中所述雷射加工參數設定為光纖雷射器的輸出功率設置為平均輸出功率的90%(即達到極限功率的90%，如選用功率為20W的光纖雷射器，則設定值達到18W ；設定值過小，則光纖雷射器效率變低；但過大，光纖雷射器壽命會變短)，頻率35-45KHZ ；掃描振鏡的掃描速度為1000mm/s-1500mm/s ;填充線間距為O. 02-0. 03mm。優先地，其中所述金屬材料為鋁合金或不鏽鋼。本發明具有的優點在幹
1、與其他加工方式(如線切割)相比，此方法靈活性更高，可以實現各種圖案，這是線切割和化學蝕刻不具備的；
2、對於不需要加工穿透的產品(類似盲孔)，相比於銑、削加工，雷射由於其光斑小、能量密度高的特點，能直接加工出帶有更小尖角的形狀；
3、在所加工材料表面塗上ー種水性化合物塗料後加工，可以使得雷射加工邊緣更加光 滑；
4、選用的光纖雷射器光束質量好、光斑小，脈寬窄，峰值功率高，配合適光學兀器件加エ槽的錐度比普通配置加工錐度小；
5、雷射加工參數選用高速高頻，能加工出平整的底面。
圖I為本發明的エ藝流程 圖2光路結構意簡 圖3為本發明實施例I的エ藝流程 圖4為本發明實施例2的エ藝流程圖。主要附圖標記
I-光纖雷射器；2-擴束鏡；3_透鏡；4_掃描振鏡；(XD定位系統_5 ；
A1、A2 - CNC加工輪廓步驟；
B1、B2-繪製加工圖形及設定加工參數；
CUC2-陰影區塗親水性化合物步驟；
D1、D2-(XD定位及按設定參數加工步驟。
具體實施例方式本發明利用CCD定位系統確定加工區域，表面預先塗上ー層親水性化合物(氫氧化鈉)消除加工熱影響，從雷射器發出的脈衝光經過合適倍數的擴束鏡和合適焦距的透鏡後聚焦到金屬材料表面配合優化的雷射加工參數以保證深度加工效率和效果。如圖I、圖2所示，本發明所述利用雷射進行金屬材料加工的方法包括以下步驟 步驟一，定位識別採用CCD定位系統5對加工區域進行實別，確定加工的圖形位置。步驟ニ，光路傳輸與加工雷射從光纖雷射器I的端ロ出來，經過擴束鏡2，光斑變大，壓縮發散角(便於獲得更好的聚集性能)，到達掃描振鏡4，通過振鏡4的ー對反射鏡來控制光的軌跡，然後到達聚焦鏡3進行聚焦，最後到達加工面，對材料進行加工。不同的金屬材料加工的エ藝參數會有一定的區別。不同材料本身的表面狀態和材料本身對光的吸收不同，材料的熔沸點的高低都會導致エ藝參數有一定區別。比如，加工同樣大小的6063鋁合金和304不鏽鋼，加工鋁，エ藝參數中的振鏡速度可以選擇快速，而不鏽鋼我們會選擇相對而言低的速度。同樣大小的不鏽鋼和鋁合金，同樣在雷射的作用下，不鏽鋼所需要的單脈衝能量要大。同時不鏽鋼的熔沸點都比鋁高，所以在加工不鏽鋼時，選擇低速、低頻加工，保證不鏽鋼在加工時的溫度(高速時不鏽鋼本身溫度下降較快)。而加工鋁合金時，會選擇高速、高頻。在選用同樣功率的雷射器的前提下，對兩種材料加工到同樣深度，不鏽鋼需要花費更長的時間。步驟三，加工1)設備的選擇，選擇20W的光纖雷射器，合適倍數的擴束鏡和掃描振鏡。原因在於功率越高的雷射器，光學模式相比而言較差，對加工後的底紋平整和邊緣效果有影響。一般來說20W的光學模式可以滿足要求，同時對加工的效率也有保證。然後選擇特定的擴束鏡和匹配的掃描振鏡是可以控制聚焦後的光斑大小。實驗過程中，我們通過反覆改變不同的光學配置發現聚焦後的光斑過大或者過小，都不適合加工出所需要的效果和效率。只有當聚焦光斑大小在某一個合適值的時候效率是最好的。2)エ藝參數的設定定義2分鐘為單位，標刻同樣的圖形。採用不同的加工速度和填充間距，選擇最佳參數。例如，在實驗中加工招合金，選用掃描振鏡的掃描速度為IOOOmm/ s，頻率為35Khz-45Khz。填充的線間距控制在O. 025-0. 03mm,同時採用O度和90度雙向掃描來保證底部的平整性。固定加工軟體裡加工圖形的填充線間距O. 03mm，光纖雷射器頻率從20KHZ變化到50KHZ，振鏡的掃描速度從100mm/S變化到1000mm/S，做ー個速度與頻率的變化矩陣，從中找到加工效率最高、加工底紋平整的一組參數或者ー個區域範圍。當然還要固定速度，做一個頻率與線間距的變化矩陣；固定頻率，做ー個速度與線間距的變化矩陣。最後從所有數據中提取去一組最佳エ藝參數或者一個最佳加工參數區域。3)編輯完加工圖形、設定好參數後，用CXD系統自動確定加工位置。4)在待加工材料表面塗上ー層親水性化合物，保證加工邊緣的光滑。注意加工過程中如果保證有氧環境，整個加工的效率會有大概20%的提升。以下將結合具體實施例對本發明作進ー步地詳細說明。實施例I :
以加工一片樹葉圖案為例，如圖3所示，在Imm厚6061鋁合金板(市購)上，加工ー個樹葉形狀圖案(圖形尺寸為15_x40mm),加工深度O. 3mm ;具體步驟如下
步驟Al :先米用統削機加工出葉子的最大輪廓；
步驟BI :在鐳雕軟體中編輯出步驟Al中雕銑機未能完成的加工部分，利用CCD定位系統(識別需要加工的圖形位置，保證雷射加工圖形與CNC機加工輪廓的相對位置)確定加工位置，並選擇功率20W的光纖雷射器(提供光源，加工能量來源)，F=160mm聚焦鏡(使雷射器經擴束鏡後形成的光斑聚焦，提高光斑的功率密度)、7X擴束鏡(壓縮光源的發散角，提高光束的質量)和德國SlO高速掃描振鏡(掃描速度< 7000mm/s，重複定位精度<8uRad. /°C，控制雷射投影到加工面的加工路徑，獲得設定好的加工圖案，保證加工的精度)；
步驟Cl :在待加工材料表面塗ー層親水性化合物(氫氧化鈉);
步驟Dl :從上述光纖雷射器發出的脈衝光經過擴束鏡和掃描振鏡後聚焦到金屬材料表面配合所設定的雷射參數(振鏡的掃描速度1000mm/s、頻率45KHZ、光纖雷射器達到功率90% ;填充線間距O. 03mm)對步驟A中銑削機未能完成的加工部分進行鐳雕，當加工深度達到O. 3mm,即可停止鐳雕。如果要保證加工邊緣錐度更小，可單獨設置葉子邊緣的加工速度，可降至 300-400mm/s。實施例2
以加エー個五角星圖案為例，如圖4所示，在厚度為Imm的T鎂鋁合金板(牌號T934，市購)上，加工ー個五角星圖案(圖形尺寸為40mmX40mm)，加工深度O. 4mm ;具體步驟如下步驟A2 :先米用統削機加工出五角星的最大輪廓；
步驟B2 :在鐳雕軟體中編輯出步驟A2中雕銑機未能完成的加工部分，利用CCD定位系統(識別需要加工的圖形位置，保證雷射加工圖形與CNC機加工輪廓的相對位置)確定加工位置，並選擇功率20W的光纖雷射器(提供光源，加工能量來源)，F=160mm聚焦鏡(使雷射器經擴束鏡後形成的光斑聚焦，提高光斑的功率密度)、7X擴束鏡(壓縮光源的發散角，提高光束的質量)和德國SlO高速掃描振鏡(掃描速度< 7000mm/s，重複定位精度<8uRad. /°C，控制雷射投影到加工面的加工路徑，獲得設定好的加工圖案，保證加工的精 度)；
步驟C2 :在待加工材料表面塗ー層親水性化合物(氫氧化鈉);
步驟D2 :從上述光纖雷射器發出的脈衝光經過擴束鏡和掃描振鏡後聚焦到金屬材料表面配合所設定的雷射參數與實施例I相同(振鏡的掃描速度1000mm/s、頻率45KHZ、光纖雷射器功率達到90% ;填充線間距O. 03mm)對步驟A中銑削機未能完成的加工部分進行鐳周隹，當加工深度達到O. 4mm,即可停止鐳雕。如果要保證加工邊緣錐度更小，可單獨設置葉子邊緣的加工速度，可降至300-400mm/s。金屬材料經深度加工後，其強度、抗變形各方面性能都達到要求，只是對於不鏽鋼這樣的材料，由於材料表面遭到破壞，深度加工後建議塗油漆，防止氧化。所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.ー種利用雷射進行金屬材料加工的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 A)利用CCD定位系統確定待加工金屬材料表面的加工位置； B)在待加工金屬材料表面塗ー層親水性化合物，並通過空氣壓縮機對已塗上親水性化合物的待加工金屬材料表面進行製冷； C)對步驟B)所得的待加工金屬材料表面進行雷射加工。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於所述步驟A)之前還包括採用銑削機加工出金屬材料所需形狀的最大輪廓的步驟。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於所述步驟A)具體為在鐳雕軟體中編輯出所述雕銑機未能完成的加工部分，利用CCD定位系統確定加工位置，並選擇平均輸出功率小於50W的光纖雷射器、焦距F=160mm的聚焦鏡、紅外7X擴束鏡及高速掃描振鏡。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述高速掃描振鏡的掃描速度<7000mm/s，重複定位精度<8uRad. /°C。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在幹所述步驟B)中的親水性化合物為氫氧化鈉或甘油。
6.根據權利要求I所述的方法，其特徵在幹所述步驟C)具體為從光纖雷射器發出的脈衝光經過擴束鏡和掃描振鏡後聚焦到待加工金屬材料表面，配合所設定的雷射加工參數進行鐳離，當加工深度達到預定值吋，即可停止鐳雕。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在幹所述雷射加工參數設定為光纖雷射器的輸出功率設置為平均輸出功率的90%，頻率35-45KHZ ;掃描振鏡的掃描速度為IOOOmm/s-1500mm/s ;填充線間距為 O. 02-0. 03mm。
8.根據權利要求1-7任一所述的方法，其特徵在於所述金屬材料為鋁合金或不鏽鋼。
全文摘要
本發明涉及一種利用雷射進行金屬材料深加工的方法，利用CCD定位系統確定加工區域，表面預先塗上一層特殊材料消除加工熱影響，從雷射器發出的脈衝光經過合適倍數的擴束鏡和合適焦距的透鏡後聚焦到金屬材料表面配合選定的雷射加工參數進行深度加工。本發明與其他加工方式(如線切割)相比，靈活性更高，可以實現各種圖案，這是線切割和化學蝕刻不具備的；對於不需要加工穿透的產品(類似盲孔)，相比於銑、削加工，雷射由於其光斑小、能量密度高的特點，能直接加工出帶有更小尖角的形狀；在所加工材料表面塗上一種水性化合物塗料後加工，可以使得雷射加工邊緣更加光滑。
文檔編號B23K26/42GK102689097SQ201210145200
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者餘坤, 劉勇, 盧飛星, 孫威, 閔大勇 申請人:武漢華工雷射工程有限責任公司