[发明专利]基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特指一种基于激光冲击波力学效应的阵列式激光冲击方法和装置，它能用于组合激光冲击波标记形成不同的三维标识，有效提高标记效率。

背景技术

现代制造也对零部件的标记和识辨提出了越来越高的要求，一方面标识本身必须有较高的防伪性能，能有效地识辨零件，另一方面标识必须不影响零件的使用寿命。目前的激光标记技术主要运用激光热效应，在零件表面直接烧蚀形成标记图案。但是，这种利用激光烧蚀热效应的标记方式存在两个主要缺点。第一，激光烧蚀将金属零件的表面材料去除一层，从而破坏了材料表面残余应力状态，形成残余拉应力状态和微细的裂纹。在零件受到交变载荷的状态下，这标记区变成了天然的疲劳源，从而萌生裂纹造成疲劳破坏。第二，防伪性能差。从这点考虑，激光烧蚀热效应打标也不适合这些关键零部件的打标。由此，美国利弗莫尔国家重点实验室Dance C Brent和Hackel Lloyda等人在2001年申报了激光喷丸打标专利(Identification marking by means of laser peening，PatentNumber：Wo0161619，2001-08-23)，也是利用激光冲击波力效应的无损打标。但由于采用了采用二进制编码形成能被条形码机器识别的矩阵标记，不能标记复杂图形，防伪性不是太高。

随后，江苏大学激光技术研究所张永康和殷苏民等人申报了一种基于液晶掩膜的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置(激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置[P]，专利申请号：200510037968.2，申请人：江苏大学，申请日：2005.3.4)，它将激光冲击波对材料的无损性与液晶掩膜灰度的可控性结合起来，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形。但由于有机材料本身对激光吸收率较高，同时液晶的损坏阈值较低，实际操作中很容易破坏液晶，很难获得较好的效果。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法和装置。利用激光诱导的高幅冲击波力学效应，使金属零件发生塑性变形。这一过程中成形压力高达GPa量级，应变率高达10⁷S^-1，能有效改变冲击区域的残余应力状况，获得较低的表面粗糙度，提高标记区域的硬度等。它通过控制激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及不同规格的柔性贴膜，将不同作用条件下的标识按照一定的编码规则进行组合，可以在工件表面标记出立体图形标识。不需要制作掩模，生产周期降低。

实施该方法的装置包括控制系统、光束空间调制系统、工件夹具系统，其特征在于：设有标识特征采集系统、激光发生器阵列，控制系统控制激光发生器阵列、工件夹具系统和标识特征采集系统；工件夹具系统包括覆盖柔性贴膜的工件、工件夹具、工作台。

标识特征采集系统主要包括计算机，激光参数将作为标识特征的一部分被标识特征采集系统收集起来；光束空间调制系统主要起匀光和调焦作用，由几组透镜组成，光束由激光发生器阵列发出后经过光束空间调制系统，可得到空间分布均匀、光斑尺寸适中的一组光束；这组光束作用于工件后即可形成深浅不同的标记，随着工件不断沿既定方向移动，即可形成按一定编码方式的标识。

基于激光冲击波力学效应的阵列式激光标记方法，其特征在于：将激光发生器阵列发出的激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，激光发生器控制系统同时控制每个激光发生器的相关参数，进行冲击形成所需的标记，无需掩膜，其实施过程如下：

(1)根据零件的标记区尺寸和材料，选择柔性贴膜，并将柔性贴膜贴在零件表面；

(2)根据零件标记的形状和尺寸，设定激光发生器阵列的相关参数，选择激光工艺参数：脉冲能量10～100焦尔、脉冲宽度8～80纳秒以及激光冲击轨迹和冲击次数1～100次；激光束经光束空间调制系统均匀化调制，汇聚在工件表面的柔性贴膜上；柔性贴膜表层汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，在冲击波力效应的作用下材料发生塑性变形，工件夹具系统控制工件的位置，每个脉冲作用后，调整每个激光发生器的参数，按既定的轨迹移动工件的位置，从而形成三维标记；

(3)记录过程中每个激光脉冲对应的激光发生器的相关参数、激光发生器的排列方式等作为标识特征的一部分被标识采集系统收集起来，作为识辨标识的重要依据。

本发明的优点在于：

(1)将不同条件下的单点标识按照一定的编码规则进行组合，可以在工件表面标记出立体图形标识。同时不需要制作掩模，生产周期降低，有较高的应用价值。