[发明专利]高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法

说明书

本发明属于激光加工设备及加工方法，特别是一种利用脉冲激光在材料表面进行加工的设备及方法。

目前，激光刻花技术已有较为广泛的应用。所谓激光刻花即通过激光脉冲在材料表面加工出许多显微凹坑而组成图案。微坑的排列，走向以及在材料表面的分布区域均由计算机程序设定，由此形成加工图案。至于微坑的深浅以及形貌则由图案的要求和使用的加工系统及特定的工艺和参数所决定。目前已开展的激光刻花主要包括平面和立体图案的雕刻，冷轧辊的毛化与花纹雕刻。采用的激光方法主要是CO2激光和YAG激光。目前，在国外以CO2激光为主，其关键的部分主要由千瓦级基模连续波CO2激光器为光源，连续波激光经外光路，高速机械斩波器变为脉冲激光，再经聚焦头作用于材料表面，加上控制系统以及其它一些辅助工艺，形成对图案的加工。YAG激光目前主要应用于平面图案的雕刻，采用的激光器有脉冲激励的YAG激光器，也有声光调Q的YAG激光器，其系统和工艺多种多样，与CO2激光相比，通常的YAG激光装置没有机械斩波器的振动问题，造价低，但在加工速度（脉冲频率）或脉冲能量方面却比不上CO2激光装置，而冷轧辊的毛化和刻花需要高的加工速度和较大的脉冲能量。因此，YAG激光目前在这两方面尚未获得应用。另外，目前所应用的激光刻花设备都是针对某一应用方面的专用设备和技术，它们之间几乎不存在通用性。为此，本发明提出了图1所示的YAG激光刻花设备及其相应的一系列技术方法，旨在克服目前激光刻花设备的上述不足。

本发明的目的是提供一种激光刻花设备及加工方法，采用声光调QYAG激光器，并对激光脉冲进行编组、变频以对材料表面进行加工。

本发明的另一目的是提供一种具有辅助气体侧吹设备，以使加工表面具有特定微坑形貌的激光刻花设备及加工方法。

本发明的高重频调制多脉冲YAG激光刻花设备具有如图1所示的与一般激光表面刻花设备基本相同的部分。激光器1发出激光脉冲，经外光路系统和聚焦头4作用在工件表面，分束器3可以允许激光完全通过而将可见光全部反射经成像系统5进入CCD摄像头6，通过显示器7便可以观察到加工点的显微图像。图形加工的功能完成，由图像采集器13输入图像12，经图像处理系统14后将信号送入微机15，微机既可以设计图形也可以接收外部输入图形并通过绘图仪16和显示器17将图像进行显示，图像信号由微机输出至驱动单元18，控制伺服电机10，11的转动。聚焦头4通过导轨8沿X方向在电机10的驱动下移动，工件9则沿Y方向在电机11的驱动下运动。Y轴既可以是旋转座标（对轧辊加工）也可以是垂直X轴的平动座标（对平面加工）。

本发明的特征在于：

在控制冷轧辊激光毛化的粗糙度、显微凹坑的深度和凸台高度以及立体图形的刻蚀深度方面，本发明采用了一种特殊的脉冲编组控制技术。

通常情况下声光调QYAG激光器发出的脉冲，由于受到调制器关断功率的限制，激光器输出的单脉冲最大能量很小，一般小于10mJ，虽然脉冲频率很高，但并不足以进行立体图形的深度加工和使轧辊达到高的表面粗糙度。为此，本发明引入如图3（e）所示的脉冲序列。脉冲按编组方式控制，脉冲周期t与工件的运动速度相比是如此之短，以至当一组脉冲作用在工件上时，这些脉冲基本上作用于同一点上，脉冲组的周期与工件的运动速度相对应。一个脉冲组内的脉冲数可以任意调节，脉冲数越多，激光作用在材料上的微坑越深，可以达到立体图形的深度加工和轧辊毛化的高表面粗糙度加工，所有这些脉冲的变化均靠控制声光调制器的控制单元得以实现。

在冷轧辊激光毛化方面，本发明采用的另一项特殊技术是对YAG激光器的轻调Q技术。冷轧辊的激光毛化需要在显微凹坑周围加工出足够高的凸台即具有足够的表面粗糙度，已往的分析已经指出，微坑凸台的形成是微坑熔融物质堆积的结果。这就是说，激光的作用应该使微坑有足够的熔化才有可能形成凸台，声光调QYAG激光器的特点之一是脉冲峰值功率高，脉宽窄，其峰值功率远远超过了使材料熔化的阈值点而窄的脉宽表明激光的作用时间很短以至没有使材料充分熔化的时间，其结果是微坑主要以汽化形成而几乎没有凸台存在。对此，本发明采用了一种轻调Q的激光技术，通过控制调制器的驱动功率使连续激光和脉冲激光同时输出，其脉冲部分和连续部分的比例可以通过控制调制器的驱动功率加以改变。由于非完全的调Q，因此，脉冲激光的脉宽增宽，这将增加激光对微坑的作用时间，同时，由于脉冲峰值功率下降，将有助于熔化的形成而减少对材料的汽化，其结果将有利于微坑凸台的形成。激光器所输出的连续光部分可以对轧辊表面实施热处理，以提高轧辊表面微坑以外区域的硬度与耐磨性。