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1、(10)申请公布号 CN 102430855 A(43)申请公布日 2012.05.02CN102430855A*CN102430855A*(21)申请号 201110281856.7(22)申请日 2011.09.21B23K 26/00(2006.01)H01S 3/11(2006.01)(71)申请人长春理工大学地址 130022 吉林省长春市朝阳区卫星路7186号(72)发明人张荣 张秋鄂 李永正(74)专利代理机构长春菁华专利商标代理事务所 22210代理人陶尊新(54) 发明名称多激光脉冲序列能量时域累积方法(57) 摘要多激光脉冲序列能量时域累积方法属于激光加工技术领域。现有变能。
2、量亚微米快速激光加工方法采用容量不同的储能电容为激光器泵浦供电，获得幅值、脉宽不同的激光脉冲，但是，由于电光转换效率不稳定，激光输出也不稳定；该方法对硬件的要求很高；缺乏柔性。本发明其特征在于采用连续激光器，通过调Q产生脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的若干激光脉冲序列，由脉冲频率高、脉宽窄的激光脉冲序列提供较大的激光加工能量，由脉冲频率低、脉宽宽的激光脉冲序列提供较小的激光加工能量，由多段脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的激光脉冲序列在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，工件对应吸收的能量与能量时域累积曲线一致。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求。
3、书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页CN 102430858 A 1/1页21.一种多激光脉冲序列能量时域累积方法，是一种亚微米快速激光加工方法，由激光脉冲进行变能量加工，其特征在于，采用连续激光器，通过调Q产生脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的若干激光脉冲序列，由脉冲频率高、脉宽窄的激光脉冲序列提供较大的激光加工能量，由脉冲频率低、脉宽宽的激光脉冲序列提供较小的激光加工能量，由多段脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的激光脉冲序列在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，工件对应吸收的能量与能量时域累积曲线一致。2.根据权利要求1所述的多激光脉冲序列能量时域累积方法，其特征在于，所述激光脉冲序列串由2。
4、3个不同或者部分相同的所述的激光脉冲序列构成，每个激光脉冲序列之间具有时间间隔。权 利 要 求 书CN 102430855 ACN 102430858 A 1/4页3多激光脉冲序列能量时域累积方法技术领域0001 本发明涉及一种多激光脉冲序列能量时域累积方法，能够获得能量精度高、作用时间控制精准的激光束，用于激光精细加工，如亚微米激光焊接、打孔、切割等，属于激光加工技术领域。背景技术0002 在现有激光加工过程中，工件吸收能量E不变，见图1所示，在加工时域t1内，工件吸收能量E始终为e1。对于激光精细加工，如亚微米快速激光焊接、打孔、切割等，这种加工方式无法取得令人满意的效果，如在细丝的焊接过。
5、程中，不可避免地发生熔化成珠或气化现象，焊接几乎无法进行。鉴于此，在亚微米快速激光加工技术领域出现了一种变能量激光加工方法，工件对应吸收的能量按照能量时域累积曲线变化，并且，激光加工方式不同，如焊接、打孔、切割等，有不同的能量时域累积曲线。如变能量亚微米快速激光打孔，其能量时域累积曲线一开始为一个峰值能量，瞬间间歇后激光能量由小到大地变化，达到一个最大值，再逐步减小到零，随后又是一个峰值能量，完成加工，见图2所示。在该方法中，使用脉冲激光器提供加工激光。激光加工能量的变化是通过激光电源实现的。张秋鄂发表在光电子技术与信息2003年Vol.1第6期P102的一篇题为“激光电源波形的微机控制”的文。
6、章对此作了介绍。在激光电源中，并联设置多个容量不同的储能电容，每个储能电容都有一个电子开关，这些电子开关由一个单片机控制。根据所需激光加工能量的不同，由容量不同的储能电容为激光器泵浦供电，获得幅值、脉宽不同的激光脉冲，这些激光脉冲的连线与亚微米激光加工能量时域累积曲线相同。然而，这种通过不断改变激光脉冲幅值、脉宽获得不同的激光加工能量的亚微米快速激光加工方法存在诸多问题。首先，由于电光转换效率不稳定，激光输出不稳定，因此，很难精确控制输出的激光加工能量的大小，对于亚微米快速激光加工这种精细激光加工来说，势必造成成品率下降。其次，该方法对硬件的要求很高。因储能电容以放电、充电方式工作，总是存在一。
7、个较大的时间差，对于高重复频率激光加工，如100200Hz，该方法难以应对。第三，该方法所采用的脉冲激光器专机专用，针对特定工件和加工方式，脉冲激光器硬件固定，输出的激光加工能量波形确定，因此，缺乏柔性。0003 在现有技术中，调Q技术与连续激光器结合能够获得高重复频率脉冲激光输出，也就是调整Q驱动器的电信号频率及脉宽，通过调Q晶体，将连续激光转换为具有相应脉冲频率和脉宽的脉冲激光，调Q驱动器以及调Q晶体的使用消除了现有脉冲激光器因使用储能电容以及泵浦而带来的诸多不足。如果采用这种高重复频率脉冲激光进行亚微米快速激光加工，所提供的加工能量持续不变，没有与亚微米快速激光加工能量时域累积曲线保持一。
8、致，见图3所示，不能简单地用于亚微米快速激光加工。不过，正如上文所言，能够通过调整Q驱动器的电信号频率及脉宽，再通过调Q晶体，将连续激光转换为所需脉冲频率和脉宽的脉冲激光，而Q驱动器的电信号频率及脉宽的调整则由自Q驱动器计算机接口所接上位计算机控制。说 明 书CN 102430855 ACN 102430858 A 2/4页4发明内容0004 为了克服现有通过不断改变激光脉冲幅值、脉宽获得不同的激光加工能量的亚微米快速激光加工方法所存在的不足，实现激光加工能量的精确控制，获得符合能量时域累积曲线以及高重复频率的激光加工能量输出，同时使得所采用的硬件部分即激光器具有广泛的适应性，即适合不同工件、。
9、不同方式的激光加工，我们发明了一种多激光脉冲序列能量时域累积方法。0005 本发明之方法是一种亚微米快速激光加工方法，由激光脉冲进行变能量加工，其特征在于，采用连续激光器，通过调Q产生脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的若干激光脉冲序列，由脉冲频率高、脉宽窄的激光脉冲序列提供较大的激光加工能量，由脉冲频率低、脉宽宽的激光脉冲序列提供较小的激光加工能量，由多段脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的激光脉冲序列在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，工件对应吸收的能量与能量时域累积曲线一致。0006 本发明之方法其技术效果在于，通过Q驱动器计算机接口接入上位计算机，根据软件控制Q驱动器的电信号频率及脉宽，通过调。
10、Q晶体将连续激光转换为具有相应脉冲频率和脉宽的脉冲激光，该脉冲激光具有高重复频率的特点。并且，根据加工工件及其加工方式所对应的能量时域累积曲线，由上位计算机实时调整Q驱动器的电信号频率及脉宽，输出的脉冲激光则为脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的几个激光脉冲序列，它们在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，实现激光能量仿真，工件能够吸收的能量与能量时域累积曲线一致。与现有技术相比，本发明同样是一种变能量加工方法，但是，不同的是激光加工能量来自脉冲频率及脉宽不同、幅值相同激光脉冲序列，而这样的激光脉冲序列又产生于调Q技术，具有高重复频率特点，因此，能够精确控制激光加工能量，配合激光能量仿真技术严格按照。
11、能量时域累积曲线进行加工，提高了加工质量。另外，对于不同的加工工件及加工方式，其能量时域累积曲线不同，采用本发明之方法，只需将能量时域累积曲线输入上位计算机，通过实时算法得出激光脉冲序列串的各项参数，输出适合当前加工工件及加工方式所需激光加工能量，一机多用。附图说明0007 图1是现有不变能量激光加工方法其加工能量与加工时域关系图。图2是现有变能量激光加工方法其加工能量与加工时域关系图。图3是现有通过调Q技术与连续激光器结合所获得的具有高重复频率脉冲激光波形图。图4是变能量亚微米快速激光加工方法通常需要遵循的一种工件吸收能量时域累积曲线图。图5是本发明之方法对应变能量亚微米快速激光加工方法通常。
12、遵循的能量时域累积曲线之多激光脉冲序列串示意图。图6是变能量亚微米快速激光细丝焊接方法遵循的一种工件吸收能量时域累积曲线图。图7是本发明之方法对应变能量亚微米快速激光细丝焊接方法遵循的能量时域累积曲线之多激光脉冲序列串示意图，该图兼作为摘要附图。图8是变能量亚微米快速激光精细打孔方法遵循的一种工件吸收能量时域累积曲线图。图9是本发明之方法对应变能量亚微米快速激光精细打孔方法遵循的能量时域累积曲线之多激光脉冲序列串示意图。说 明 书CN 102430855 ACN 102430858 A 3/4页5具体实施方式0008 实施例1：0009 该实施例是一种亚微米快速激光加工方法，由激光脉冲进行变能。
13、量加工，所涉及的能量时域累积曲线在加工时间为t1处具有一个峰值e1，工件表面吸收的激光能量在峰值e1两侧呈近似高斯分布，见图4所示，图中横轴表示激光脉冲的加工时间T，纵轴表示工件表面吸收的激光加工能量E。采用连续激光器，连续激光功率P为40W，通过调Q产生脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的两个激光脉冲序列，各个激光脉冲序列参数见下表：0010 0011 在0t1加工时间内由脉冲频率高、脉宽窄的激光脉冲序列提供较大的激光加工能量，脉冲频率为f1、脉宽为/f1，为激光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n1。确定时间间隔t2-t1，以使工件表面吸收的加工能量按能量时域累积曲线的下降段变化。之后在t2-t3加工。
14、时间内由脉冲频率低、脉宽宽的激光脉冲序列提供较小的激光加工能量，脉冲频率为f2、脉宽为/f2，为激光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n2，t3时刻与能量时域累积曲线尾端相对应，见图5所示，图中横轴表示激光脉冲序列串的加工时间T，纵轴表示工件所吸收的来自激光脉冲序列串的激光加工能量E，图中虚线曲线为能量时域累积曲线。在整个加工过程中，由两段脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的激光脉冲序列在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，进行变能量加工，工件对应吸收的能量与时域累积曲线一致。0012 实施例2：0013 该实施例是一种亚微米快速激光焊接方法，将细丝焊接于衬底上，由激光脉冲进行变能量加工，所涉及的能量时。
15、域累积曲线特征具有如下表现，在0t1加工时间段，激光能量缓慢增加；之后是一个位于t2时刻、峰值为e2的高斯分布激光能量，起讫点为t1、t3；之后是一个位于t4时刻、峰值为e4且高于e2的高斯分布激光能量，起讫点为t3、t5；之后，激光能量缓慢减少，见图6所示，图中横轴表示激光脉冲的加工时间T，纵轴表示工件表面吸收的激光加工能量E。采用连续激光器，连续激光功率P为43.52W，通过调Q产生脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的三个激光脉冲序列，各个激光脉冲序列参数见下表：0014 0015 在0t3加工时间内由脉冲频率较高、脉宽较窄的激光脉冲序列提供较大的激光加工能量，脉冲频率为f1、脉宽为/f1，为激。
16、光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n1，在此期间，在t1时刻，细丝熔覆层吸收能量e1后开始熔化，并持续至t2时刻。确定时间间隔t3-t2，以使工件表面吸收的加工能量按能量时域累积曲线的下降段变化，在此期间，熔覆层预热细丝。之后在t3-t4加工时间内由脉冲频率更高、脉宽更窄的激光脉冲序列提供更大的说 明 书CN 102430855 ACN 102430858 A 4/4页6激光加工能量，脉冲频率为f2、脉宽为/f2，为激光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n2，在此期间，熔覆层、细丝、衬底三者互熔。之后确定时间间隔t5-t4，以使工件表面吸收的加工能量按能量时域累积曲线的下降段变化；在t5之后，由脉冲频率。
17、低、脉宽宽的激光脉冲序列提供较小的激光加工能量，脉冲频率为f3、脉宽为/f3，为激光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n3，自t4时刻之后，工件缓慢降温，以最大限度消除应力，见图7所示，图中横轴表示激光脉冲序列串的加工时间T，纵轴表示工件所吸收的来自激光脉冲序列串的激光加工能量E，图中虚线曲线为能量时域累积曲线。在整个加工过程中，由三段脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的激光脉冲序列在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，进行变能量加工，工件对应吸收的能量与时域累积曲线一致。0016 实施例3：0017 该实施例是一种亚微米快速激光打孔方法，在工件上精细打孔，由激光脉冲进行变能量加工，所涉及的能量时域累积。
18、曲线特征具有如下表现，在0t1加工时间段为一个尖锐峰值能量，峰值e1位于1/2t1时刻；瞬间间歇后激光能量由小到大地变化，达到一个最大值e2，再逐步减小到零，对应时刻为t4；随后又是一个与0t1加工时间段尖锐峰值能量相同的峰值能量，完成加工，见图8所示，图中横轴表示激光脉冲的加工时间T，纵轴表示工件表面吸收的激光加工能量E。采用连续激光器，连续激光功率P为35W，通过调Q相继产生脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的三个激光脉冲序列，其中第一个激光脉冲序列与第三个激光脉冲序列相同，各个激光脉冲序列的参数见下表：0018 0019 在01/2t1加工时间内由脉冲频率较高、脉宽较窄的激光脉冲序列提供较大的。
19、激光加工能量，脉冲频率为f1、脉宽为/f1，为激光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n1，在此期间，激光加工能量预热工件。确定时间间隔t1-1/2t1，以使工件表面吸收的加工能量按能量时域累积曲线的下降段变化。之后在t1-t3加工时间内由脉冲频率低、脉宽宽的激光脉冲序列提供较小的激光加工能量，脉冲频率为f2、脉宽为/f2，为激光脉冲占空比，加工激光脉冲数为n2，在此期间，在工件表面形成孔痕迹，但是孔径不规则。之后确定时间间隔t4-t3，以使工件表面吸收的加工能量按能量时域累积曲线的下降段变化。在t4-t5加工时间内，再施加一个与01/2t1加工时间内施加的激光脉冲序列相同的激光脉冲序列，以使孔径优化。
20、，见图9所示，图中横轴表示激光脉冲序列串的加工时间T，纵轴表示工件所吸收的来自激光脉冲序列串的激光加工能量E，图中虚线曲线为能量时域累积曲线。在整个加工过程中，由三段脉冲频率及脉宽不同、幅值相同的激光脉冲序列在激光加工时域里组成一个激光脉冲序列串，进行变能量加工，工件对应吸收的能量与时域累积曲线一致。说 明 书CN 102430855 ACN 102430858 A 1/4页7图1图2图3说 明 书 附 图CN 102430855 ACN 102430858 A 2/4页8图4图5说 明 书 附 图CN 102430855 ACN 102430858 A 3/4页9图6图7说 明 书 附 图CN 102430855 ACN 102430858 A 4/4页10图8图9说 明 书 附 图CN 102430855 A。