脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法，包括：根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数；在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。本发明专利技术可充分利用精细光斑激光扫描加工的各项优势，实现脆硬材料的高精度、高效化加工。

Three dimensional laser fine machining system and method for brittle material

The present invention provides a system for 3D laser fine machining of hard and brittle materials and methods, including: according to the model and the processing model, processing pattern to be parts of the processing requirements, determine the laser scanning processing program; program includes: determining the laser processing parameters and determine the processing layer; filling area in pattern, making each layer corresponding to the scanning process filling scheme; machining process, dynamic adjustment of the laser spot on the focal length, making each processing position remain focused, uniform focal spot; each scan to remove one or more layers of material after the transformation of laser scanning and filling scheme; in the area to complete the filling pattern of one or more layers of the scan, one or more of the laser contour in the scanning pattern contour area. The invention can make full use of the advantages of fine spot laser scanning processing, and realize the high-precision and high-efficiency processing of the brittle material.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法，属于激光加工

技术介绍
陶瓷及其复合材料、难熔金属及合金、金属间化合物等脆硬材料在航空航天、能源以及高端装备等领域的应用较为广泛，脆硬材料硬度高、脆性大，加工难度大，传统的机械切削加工方式已无法满足多样化、高精度零件的加工需要。随着激光加工技术的快速发展，激光作为一种无接触的高效加工手段，在材料加工领域具有广泛的应用前景，激光加工以其高能量密度、高精细度和高加工效率等优点，已成为多种工程材料的加工利器。目前，对于脆硬材料而言，激光加工的解决途径主要包括两种：一种是选用短波长激光，如光子能量高的紫外激光、准分子激光灯等冷激光，直接打破材料分子间和分子内的键能，实现材料消融，产生基本热效应；第二种是选用超快激光，如皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，利用激光的高能量峰值，瞬时消融材料。但是，无论是采用短波长还是超快激光，现有激光器的平均功率都比较低，设备成本高，难以在工业化加工领域推广应用。
技术实现思路
鉴于上述原因，本专利技术的目的在于提供一种脆硬材料的三维激光精细加工系统及方法，加工过程中，自适应调整每一加工层对应的扫描填充方案，同时，动态调整激光聚焦光斑使得每一加工位置的焦斑保持一致，达到对硬脆材料的快速、精细、高效化加工。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种脆硬材料的三维激光精细加工系统，包括计算机控制系统、三维动态聚焦扫描系统、脉冲激光器；计算机控制系统，用于根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；该扫描加工方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数，在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；同时在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为0.5～0.8。所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。所述激光加工参数包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程中，光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范围为5～50μm。所述脉冲激光器可选择光纤激光、固体激光或者半导体激光，激光波长范围为500nm～1200nm，激光的平均功率范围为20～200W。一种脆硬材料的三维激光精细加工方法，包括步骤：S1：根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；包括：S11：确定激光加工参数，确定加工层数；S12：在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；S13：加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；S14：每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；S15：在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。S2：动态控制一三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为0.5～0.8。所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。所述激光加工参数还包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程中，光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范围为5～50μm。所述步骤S15中，进行激光轮廓扫描时，通过提高激光扫描速度或是减小激光光斑直径方式减小激光光斑直径，使得调整后的激光光斑直径与图案轮廓区的大小相适应。本专利技术的优点是：1、本专利技术的系统及方法，对每个加工层制定相应的扫描填充方案，包括扫描线间距、扫描线角度、扫描线于图案填充区内不同位置的长度等，可保证加工层的均匀性、平整性；2、本专利技术的系统及方法，于整个加工过程中，动态调整激光焦距，使得聚焦于每个加工位置的焦斑均匀一致，通过对激光光束能量的精准控制，高能量密度实现材料的烧蚀，激光能量主要用于烧蚀去除材料而不用于加热基体材料，避免热量积累，同时结合快速扫描，尽量减少热输入，降低脆性材料开裂的倾向；3、本专利技术的系统及方法，针对激光光斑能量的特性，为去除图案轮廓区多余的材料，加工一个或几个加工层后，进行激光轮廓扫描，进一步提高加工层的均匀性；4、本专利技术的系统及方法，针对每个加工层设定优选的填充线间距，多个加工层不断变换扫描填充方案，通过多方位自适应的扫描加工，能够改善激光能量分布的空间均匀性，有利于不同加工位置材料的均匀去除，扫描加工后材料的表面粗糙度Ra＜5μm，实现对三维刻蚀图案的精准控制；5、本专利技术的系统及方法，无需超快激光或者紫外激光，采用常规纳秒、微秒脉冲红外激光即可实现脆硬材料的高精度、多样化加工，加工效率高，成本低；6、本专利技术的系统及方法，能够充分发挥激光的高能量密度、高精细度和高加工效率等优点，将激光加工特种材料的优势发挥到极致。附图说明图1是本专利技术的方法流程示意图。图2是本专利技术的确定扫描加工方案的流程图。图3是脉冲激光聚焦光斑的强度分布示意图。图4是本专利技术的单个脉冲激光在制件表面烧蚀后制件的微观俯视图及侧视图。图5A是本专利技术的脉冲激光在制件表面扫描填充一道后制件的微观结构俯视图。图5B是图5A所示制件的微观结构侧视图。图6A是本专利技术的脉冲激光在制件表面扫描填充两道(往返)后制件的微观结构俯视图。图6B是图6A所示制件的微观结构侧视图。图7A是在图6A所示制件基础上，脉冲激光在制件表面进行轮廓扫描后制件的微观结构俯视图。图7B是图7A所示制件的微观结构侧视图。图8A是激光聚焦于制件表面第一加工层的示意图。图8B是制件表面的第一加工层经激光烧蚀后，未经调焦的激光在第二加工层形成较大的光斑。图8C是本专利技术的制件表面的第一加工层经激光烧蚀后，经过调焦的激光重新在第二加工层形成细小的聚焦光斑。图9A-9C是本专利技术的在同一加工层的不同加工位置，自动调整激光焦距使得每一加工位置的光斑直径一致的示意图。图10是本专利技术一具体实施例中将脆硬材料制件加工成具有多个凹槽结构的零件的示意图。图11是图10所示实施例中，加工一个凹槽的流程示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术公开的脆硬材料的三维激光精细加工系统，包括计算机控制系统、三维动态聚焦扫描系统、脉冲激光器；计算机控制系统，用于输入待加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，包括计算机控制系统、三维动态聚焦扫描系统、脉冲激光器；计算机控制系统，用于根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；该扫描加工方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数，在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；同时在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。

【技术特征摘要】
1.脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，包括计算机控制系统、三维动态聚焦扫描系统、脉冲激光器；计算机控制系统，用于根据待加工零件的模型、加工图案的模型及加工要求，确定激光扫描加工方案；该扫描加工方案包括：确定激光加工参数，确定加工层数，在图案填充区，制定每个加工层对应的扫描填充方案；加工过程中，动态调整激光焦距，使得光斑于每个加工位置保持聚焦，焦斑均匀一致；每扫描去除一层或几层材料后变换激光扫描填充方案；同时在图案填充区完成一层或几层的扫描后，在图案轮廓区进行一次或多次的激光轮廓扫描。三维动态聚焦扫描系统，用于根据设置的扫描加工方案，于制件表面的扫描加工区域实现逐层激光扫描加工。2.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，每个加工层的扫描填充方案包括：设置激光扫描线的间距、扫描线的角度，生成相应的扫描填充路径，扫描填充路径的扫描线长度与图案填充区的图案及轮廓特征相适应，激光扫描线的间距与激光光斑直径之间的比值范围为0.5～0.8。3.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，所述变换激光扫描填充方案是指改变激光扫描线的角度，相应调整扫描填充路径，使其与图案填充区的图案及轮廓特征相适应。4.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，所述激光加工参数包括，脉冲激光的光斑直径为50μm以下，加工过程中，光斑直径不变，脉冲激光的脉冲宽度范围为10ns～50μs，脉冲频率范围为10kHz-200kHz；激光扫描线速度大于500mm/s，每个加工层去除材料的厚度范围为5～50μm。5.根据权利要求1所述的脆硬材料的三维激光精细加工系统，其特征在于，所述脉冲激光器可选择光纤激光、固体激光或者半导体激光，激光波长范围为500nm～1200nm，激光的平均功率范围为20～200W。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海青，蔡亚庆，何金江，张合义，孟军，
申请(专利权)人：苏州菲镭泰克激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32