專利名稱：一種掃描激光切割的制作方法
技術領域：
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。
背景技術：
激光切割是使用激光去切割材料的技術，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)以留下具有高品質的表面拋光的邊緣。
雖然激光切割相對于機器切割的優(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)切割技術都會產生熱量，這種熱量對靠近切割邊緣的涂料產生破壞效 果。由于靠近切割處的上升的溫度會導致長期腐蝕點增加，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)域沖壓技術很難實現(xiàn)，因為會在車體上有大的變形 風險。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備。通過在車輛 離開生產線的最后時刻切割一些客戶選擇的可選的孔如GPS導航天線、 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 于組裝和調整的人力。
然而，當用傳統(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量 及掃描光學器件以沿著設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
將從計算機輔助設計模型或其他合適繪圖程序得來的期望的原型裝 載進計算機；
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；
根據(jù)預編程的原型，通過掃描鏡4或掃描鏡組4和5為激光束導向；
激光束3沿著工件1上相同的預編程路徑7重復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，當使用Q開關激光器時，激光束以疊加的圓形 運動。
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開關激光器的脈沖重復頻率為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)明的專利權利范圍內描述的其 他解決方法、使用、目標及功能對于本領域技術人員是顯而易見的。
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 有很高的光束質量及掃描光學器件的激光器，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輔助 設計(CAD)模型或其他合適的繪圖程序中得到，且應當編程入計算機 中。激光束的開關由計算機控制，且激光被光纖或束管引導至包括一 個或多個可動反射鏡的掃描光學器件，所述可動反射鏡可在一個平面 內傳導光束。計算機控制可將激光束按照裝載在計算機內的編程的原 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。所述的可動反射鏡(組)或 振鏡(組)由壓電電動機控制。如果使用兩個反射鏡，則其中一個反射鏡將激光引導至X方向，另一個反射鏡將激光引導至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。
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 光標示或遠程焊接，或者是可以關閉的連續(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開關激光器。
激光燒蝕有幾個關鍵參數(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，更適合的是在 1010-1070 nm范圍。當使用Q開關激光器時，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保持最小。這與具有大質量和 高頻的力函數(shù)的振動系統(tǒng)相似。這種結合可減小響應幅值。 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 脈沖重復頻率來限制熱傳導的時間，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 示的光束質量。光束質量可以通過亮度(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壁上產生過 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，當使用Q開關激光器時，激光束方 便地沿工件上的切割線以疊加的圓形運動。這樣就產生光滑的且向切 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. 將從計算機輔助設計模型或其他合適繪圖程序得來的期望的 原型(未揭示)裝載進計算機。
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)預編程的原型，掃描鏡(4)或掃描鏡組(4和5)通過 機器人或指示部件(未揭示)為激光束(3)引導。5.激光束(3)沿著工件或車身(1)上相同的預編程路徑(7) 重復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) 運動。
范例1
使用上面描述的方法，Q開關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72圈，花費32秒。當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72圈或花費 32秒以切穿工料。
權利要求
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)將從計算機輔助設計模型或其他合適繪圖程序得來的期望的原型裝載進計算機；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)預編程的原型，掃描鏡(4)或掃描鏡組(4和5)通過機器人或指示部件為激光束指向；e)激光束(3)沿著工件(1)上相同的預編程路徑(7)重復地掃過直到切穿工件材料為止。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中使用的激光器是Q開關激光器。
3. 根據(jù)權利要求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)運動。
5. 根據(jù)權利要求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)權利要求1所述的方法，其中Q開關激光器的激光束的波長 為1030nm。
7. 根據(jù)權利要求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)權利要求1所述的方法，其中Q開關激光器的脈沖持續(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)權利要求1所述的方法，其中脈沖固態(tài)激光器的脈沖重復頻 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)權利要求1所述的方法，其中Q開關激光器的脈沖重復頻率 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)權利要求1所述的方法，其中Q開關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計的切割邊緣掃描若干轉。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:福特全球技術公司