激光加工裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種激光加工裝置及其方法，該激光加工裝置包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、道威棱鏡、平面反射鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
【專利說明】
激光加工裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光加工裝置及其方法，特別適用于高硬度、高脆性材料的激光微加工。

【背景技術(shù)】
[0002]激光加工技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，解決了一些傳統(tǒng)機(jī)械加工不能解決的難題。激光加工效率高，無工具損耗，可在硬、脆、軟等難加工的材料上進(jìn)行加工，是微加工技術(shù)的先進(jìn)的加工手段。
[0003]微加工是激光加工領(lǐng)域的一大分支，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和制造業(yè)工藝水平的提高，人們對產(chǎn)品的小型化和精密性要求越來越高，在滿足加工質(zhì)量的前提下，微加工的最小尺寸越小，產(chǎn)品產(chǎn)出率越高，所得到的經(jīng)濟(jì)效益就越大。一般的激光打孔技術(shù)中，聚焦光斑直徑越小，孔的直徑越??；焦深越長，孔的錐度越?。患す馀c工件的作用時(shí)間越長，熔融物越多，熱影響區(qū)越大。受激光光束的高斯特性決定，其聚焦光斑越小，焦深越短，導(dǎo)致孔的直徑越小，孔的錐度越不好控制，嚴(yán)重影響了孔的質(zhì)量和形狀。在目前的技術(shù)中，之前有公開專利表明利用旋切打孔技術(shù)可以獲得更好的孔形，更光滑的孔壁，更干凈的工件表面。
[0004]旋切打孔技術(shù)與沖擊打孔技術(shù)打微孔相比較，可以獲得更好的孔形，但是一般的旋切打孔技術(shù)的錐度難以控制，孔邊的熔融物難以消除。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決解決激光微加工中難以控制的加工橫截面的粗糙度、傾斜角度、微調(diào)加工尺寸等參數(shù)，本發(fā)明提出了的激光加工裝置及其方法，可以控制孔的直徑和錐度，旋切的轉(zhuǎn)速可以得到加倍，不僅提高了工作效率，也相應(yīng)減少了激光與工件之間的作用時(shí)間，能夠有效保證加工面的平整、光滑、無熔融物。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]—種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、道威棱鏡、平面反射鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
[0008]上述激光加工裝置中，所述道威棱鏡被一對楔形鏡替代，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定，并一起放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從這兩個(gè)楔形鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)。
[0009]上述激光加工裝置中，還包括布置在所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡和所述平面反射鏡之間的兩片式振鏡掃描頭。
[0010]上述激光加工裝置中，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡還與一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接，可以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，所述平面反射鏡與所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)。
[0011]一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、一對楔形鏡、平面反射鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等且中心對稱放置，每個(gè)楔形鏡分別放置在一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)先相對旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度然后同步旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
[0012]上述激光加工裝置中，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡還與一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接，可以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，所述平面反射鏡在所述兩個(gè)楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)時(shí)也跟著同步旋轉(zhuǎn)。
[0013]一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、平面反射鏡、一對楔形鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角；所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定；所述平面反射鏡和所述一對楔形鏡一起放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述一對楔形鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
[0014]上述激光加工裝置中，還包括布置在所述透鏡組和所述平面反射鏡之間的道威棱鏡，所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)。
[0015]上述激光加工裝置中，所述平面反射鏡可在光束入射方向上移動(dòng)。
[0016]上述激光加工裝置中，還包括布置在所述平面反射鏡和所述聚焦鏡之間的平行平板，所述平行平板可偏轉(zhuǎn)。
[0017]一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、道威棱鏡、平面反射鏡、第一對楔形鏡、第二對楔形鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述第一對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對距離可調(diào)整；所述第二對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對角度可調(diào)整；所述第一對楔形鏡和所述第二對楔形鏡置于同一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中以光軸為中心同步旋轉(zhuǎn)；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面。
[0018]上述激光加工裝置中，所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
[0019]上述激光加工裝置中，還包括布置在所述激光器和所述加工工件之間的高斯光束整形元件，所述激光器的出射光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為高斯分布，從所述高斯光束整形元件出射的光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為能量密度均勻的平頂分布。
[0020]上述激光加工裝置中，還包括布置在所述激光器和所述透鏡組之間的電子光閘，利用其延時(shí)用于將激光的初始不穩(wěn)定部分遮擋。
[0021]一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡或一對楔形鏡，從所述道威棱鏡或一對楔形鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，然后通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)，所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定。
[0022]上述激光加工方法中，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡還與所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)。
[0023]上述激光加工方法中，在所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡和所述平面反射鏡之間布置兩片式振鏡掃描頭。
[0024]一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的一對楔形鏡，所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等且中心對稱放置，兩個(gè)楔形鏡先相對旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度然后同步旋轉(zhuǎn)，然后通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)。
[0025]上述激光加工方法中，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡在所述兩個(gè)楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)時(shí)也跟著同步旋轉(zhuǎn)。
[0026]一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到平面反射鏡，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，光束通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)傳輸方向后入射到一對楔形鏡，所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定，所述平面反射鏡和所述一對楔形鏡一起以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述一對楔形鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，然后光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)。
[0027]上述激光加工方法中，激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后先入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡，然后入射到所述平面反射鏡，從所述道威棱鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)。
[0028]上述激光加工方法中，所述平面反射鏡可在光束入射方向上移動(dòng)。
[0029]上述激光加工方法中，在所述平面反射鏡和所述聚焦鏡之間布置可偏轉(zhuǎn)的平行平板。
[0030]一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡，從所述道威棱鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，然后通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，光束依次入射到以光軸為中心同步旋轉(zhuǎn)的第一對楔形鏡和第二對楔形鏡，光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述第一對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對距離可調(diào)整；所述第二對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對角度可調(diào)整。
[0031]上述激光加工方法中，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)。
[0032]上述激光加工方法中，在所述激光器和所述加工工件之間布置高斯光束整形元件，所述激光器的出射光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為高斯分布，從所述高斯光束整形元件出射的光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為能量密度均勻的平頂分布。
[0033]上述激光加工方法中，將激光器出射光束的初始不穩(wěn)定部分遮擋。
[0034]本發(fā)明的激光加工裝置，能夠整合光束的2維平移運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)激光加工，減短激光對工件作用的連續(xù)時(shí)間，降低熱影響區(qū)，增加加工面的平滑度，同時(shí)能夠提高工作效率。激光焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)起來的優(yōu)勢在于能夠使加工橫截面光滑，減少表面的飛濺和熔融堆積。但是由于激光聚焦光斑直徑一般都在20um左右，加工的面積比較小，當(dāng)能夠調(diào)整激光光束入射到聚焦鏡上的位置時(shí)，即可調(diào)整激光的加工尺寸，可以通過平移平面反射鏡或者通過調(diào)整光楔對之間的相互距離來調(diào)整激光光束入射到聚焦鏡上的位置。
[0035]有的實(shí)際應(yīng)用情況下，要求加工橫截面有一定的斜度，以打孔為例，有要求直孔，也有要求錐孔或者倒錐孔的產(chǎn)品。因此需要一種能夠控制錐度的方法。通過擺動(dòng)平面反射鏡或者通過光楔，或者通過成熟的振鏡掃描頭對來調(diào)整激光光束相對于聚焦鏡的入射角度。即可以調(diào)整加工橫截面的尺寸。
[0036]本發(fā)明在激光自旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，調(diào)整激光光束入射到聚焦鏡上的位置和角度，來控制激光加工的尺寸，錐度，表面平滑程度等，能夠滿足市場上大多數(shù)應(yīng)用的需求。
[0037]本發(fā)明的激光加工裝置獨(dú)特處在于對光路的控制，一是通過調(diào)整第一透鏡和第二透鏡的相對距離，可以調(diào)整聚焦光斑的直徑，實(shí)施調(diào)整工件加工面上的線寬；二是通過自旋轉(zhuǎn)單元，使光束自轉(zhuǎn)，跟電鉆的鉆頭一樣，避免單脈沖或者連續(xù)脈沖的能量分布差異而導(dǎo)致加工面參差不齊，黏附熔渣的問題，且加工速度能提高至少一倍；三是通過光束偏轉(zhuǎn)單元來控制孔徑，將光束偏轉(zhuǎn)單元固定在高精度旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)加工動(dòng)作；四是通過斜度控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)對加工橫截面的斜度的控制，加工橫截面平滑，沒有熔融物。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明第一種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0039]圖2為本發(fā)明在工件表面形成的光束的示意圖；
[0040]圖3為本發(fā)明第二種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0041]圖4為本發(fā)明第三種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖5為圖4中兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)有相對旋轉(zhuǎn)時(shí)的光束形成示意圖；
[0043]圖6為本發(fā)明第四種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0044]圖7為本發(fā)明第五種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖8為本發(fā)明第六種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0046]圖9為本發(fā)明第七種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0047]圖10為本發(fā)明第八種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0048]圖11為圖10中平面反射鏡在X方向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聚焦效果示意圖；
[0049]圖12為本發(fā)明第九種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0050]圖13為本發(fā)明第十種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0051]圖14為本發(fā)明第十種激光加工裝置實(shí)現(xiàn)的螺旋加工軌跡；
[0052]圖15為本發(fā)明第十種激光加工裝置實(shí)現(xiàn)的斜紋填充加工軌跡；
[0053]圖16為本發(fā)明第十種激光加工裝置實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格填充加工軌跡；
[0054]圖17為本發(fā)明激光器出射光束的能量密度分布圖；
[0055]圖18為本發(fā)明高斯光束整形后的能量密度分布圖；
[0056]圖19為本發(fā)明第i^一種激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0057]圖20為激光加工錐度的示意圖。
[0058]圖中各標(biāo)記的含義如下:
[0059]1:激光器；
[0060]2:電子光閘；
[0061]31:第一透鏡；
[0062]32:第二透鏡；
[0063]4:道威棱鏡；
[0064]5:平面反射鏡；
[0065]51:平面反射鏡；
[0066]52:平面反射鏡；
[0067]53:平面反射鏡；
[0068]54:直角棱鏡；
[0069]6:聚焦鏡；
[0070]7:加工工件；
[0071]8:平行平板；
[0072]9:楔形鏡；
[0073]91:楔形鏡 I ;
[0074]92:楔形鏡 2 ；
[0075]93:楔形鏡 3 ；
[0076]94:楔形鏡 4 ；
[0077]10:高斯光束整形元件

【具體實(shí)施方式】
[0078]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述:
[0079]圖1表明本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施方式所述的激光加工裝置的示意圖。激光加工裝置組成如下:激光器1，用于發(fā)射具有高能量的連續(xù)或者脈沖激光；電子光閘2，利用其延時(shí)將脈沖激光的初始不穩(wěn)定部分遮擋，避免加工面的不規(guī)則；安裝在電動(dòng)位移臺(tái)上的透鏡組，由透鏡31和透鏡32組成，透鏡31和透鏡32之間的距離相對可調(diào)，減小發(fā)射激光光束的發(fā)散角，擴(kuò)大光斑直徑；道威棱鏡4，安裝在空心軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，可以高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)劳忡R以速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，出射光束以2ω的速度自旋轉(zhuǎn)；平面反射鏡5，將從道威棱鏡4出射的光導(dǎo)向垂直入射于聚焦鏡6上；光束通過聚焦鏡6后，聚焦在加工工件7的表面。聚焦鏡6可以在光的傳播方向上移動(dòng)，來實(shí)時(shí)調(diào)整激光焦點(diǎn)與工件表面之間的相對位置。
[0080]圖1中有3組運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，透鏡組安裝在直線導(dǎo)軌上，透鏡31和透鏡32之間的位置相對可調(diào)，通過調(diào)整透鏡31和透鏡32之間的相對位置，來調(diào)整最終聚焦點(diǎn)光斑直徑的大小。道威棱鏡4安裝在高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，由于光束在道威棱鏡內(nèi)部有一個(gè)全反射，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)道威棱鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，出射光束隨之旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸為光軸。聚焦鏡6安裝在高精度直線導(dǎo)軌上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在光的傳播方向上調(diào)整聚焦鏡6的位置，可是實(shí)時(shí)保證聚焦點(diǎn)位于被加工表面。
[0081]當(dāng)圖1中工件放置于X-Y移動(dòng)平臺(tái)時(shí)，當(dāng)X-Y移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)時(shí)，則聚焦于工件表面的光束由兩部分運(yùn)動(dòng)組合而成，一個(gè)為移動(dòng)平臺(tái)所帶動(dòng)的輪廓，一個(gè)為聚焦光束以光軸為中心的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以圓形軌跡為例，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。光束軌跡A為移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，光束軌跡B為聚焦光束的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于兩種運(yùn)動(dòng)的組合，可以保證加工橫截面的平滑，避免毛刺。
[0082]圖1中的道威棱鏡也可以用一對楔形鏡來替換，如圖3所示。楔形鏡91和92的尺寸和楔角相等且中心對稱放置。楔形鏡91和92 —起固定在高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)上。電機(jī)帶動(dòng)楔形鏡91和92旋轉(zhuǎn)時(shí)，出射光束以光軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，達(dá)到和道威棱鏡4相同的功能。
[0083]圖4表示本發(fā)明的第三種激光加工裝置，這種激光加工裝置尤其適用于鉆孔。該加工裝置在圖3的基礎(chǔ)上，將楔形鏡91和楔形鏡92分別裝在2個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)C、D上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)C相對于D做個(gè)小角度的旋轉(zhuǎn)時(shí)，從楔形鏡92的出射光將相對于入射光有一個(gè)小的偏角，通過聚焦鏡6后的聚焦點(diǎn)也將偏離光軸中心0，聚焦在01點(diǎn)，如圖5所示。然后，電機(jī)C和D以相同的速度同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，聚焦點(diǎn)01就以O(shè)為中心旋轉(zhuǎn)。這種激光加工裝置在保證加工橫截面平滑無毛刺的情況下，實(shí)時(shí)的改變孔徑，通過旋轉(zhuǎn)C和D，調(diào)整楔形鏡91和92之間的相對角度，進(jìn)而改變聚焦點(diǎn)O到01之間的距離，即為孔徑。
[0084]這種調(diào)整兩個(gè)楔形鏡之間的相對偏角來實(shí)現(xiàn)調(diào)整孔徑的目的也可以通過擺動(dòng)平面反射鏡5來實(shí)現(xiàn)。如圖6所示。將平面反射鏡5安裝在高精度角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)需要調(diào)整聚焦點(diǎn)位置時(shí)，即通過調(diào)整平面反射鏡5的角度來實(shí)現(xiàn)。通過電機(jī)E調(diào)整平面反射鏡的偏角，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)O到01之間距離的改變。然后平面反射鏡5再與高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)R連接，電機(jī)R帶動(dòng)平面反射鏡以光軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與電機(jī)C和D同步，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)01以O(shè)為圓心的旋轉(zhuǎn)。
[0085]針對圖6所示的激光加工裝置也可以優(yōu)化而節(jié)省一個(gè)電機(jī)，如圖7所示。將平面反射鏡5安裝在高精度角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)E ;將楔形鏡91和楔形鏡92中心對稱固定放置，和能夠調(diào)整偏角的平面反射鏡一起與高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)R連接。這種裝置可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整偏角，聚焦光斑旋轉(zhuǎn)著兩種運(yùn)動(dòng)。
[0086]聯(lián)合圖1所示的光束自旋轉(zhuǎn)作用，添加道威棱鏡后，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)加工點(diǎn)都帶有光束自旋轉(zhuǎn)，保證能量分布的均勻，避免加工面的粗糙。具體如圖8所示。
[0087]圖7和圖8所示的調(diào)整平面反射鏡5的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可以用兩片式振鏡掃描頭來替代，通過對振鏡電機(jī)的控制可以編輯出任意圖形，如圖9所示。
[0088]由于激光光束的高斯特性，激光光斑中心能量最高，越靠近外沿，激光能量越低；再由于激光從工件上表面向下傳播時(shí)的損耗，導(dǎo)致激光光束聚焦后作用在工件表面形成的是入口處孔徑大，出口處孔徑小的錐面。尤其是在激光打孔的時(shí)候，孔形很容易成為錐形孔。而目前工業(yè)應(yīng)用大多需要孔壁光滑的直孔，或者倒錐孔，在激光加工裝置中，有必要實(shí)現(xiàn)對錐度的控制。因此需要調(diào)整入射到聚焦鏡上的光束位置，來調(diào)整錐度。在圖8所示的激光加工裝置中再添加一維運(yùn)動(dòng)，如圖10所示，即可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)整激光光束入射到聚焦鏡上的位置。
[0089]圖10中的Y運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)平面反射鏡5在X方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的不同的聚焦效果如圖11所示。
[0090]圖10中的帶動(dòng)平面反射鏡5在X方向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)Y也可以用可以偏轉(zhuǎn)的平行平板來替代，避免因平面反射鏡5的多維運(yùn)動(dòng)而帶來的安裝精度要求高，價(jià)格昂貴。具體如圖12所示。
[0091]對于圖12所示的激光加工裝置也可以優(yōu)化為如圖13所示。激光器I發(fā)出的激光光束通過光閘2后，進(jìn)入光斑調(diào)整透鏡組31和32，調(diào)整激光光束的發(fā)散角和光斑尺寸，旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡4使激光光束隨之旋轉(zhuǎn)，平面反射鏡5使激光光束進(jìn)入另一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)W。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)W包括光楔91、92、93和94。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的4塊光楔同步旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)整91和92之間的相對距離，可以調(diào)整激光入射到聚焦鏡的相對位置。通過調(diào)整93和94之間的相對角度，可以調(diào)整激光入射到聚焦鏡的相對角度。在光的傳播方向上可以移動(dòng)的聚焦鏡6調(diào)整聚焦光斑與工件表面7之間的相對位置。通過自旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，調(diào)整激光入射到聚焦鏡上的相對位置機(jī)構(gòu)，調(diào)整激光入射到聚焦鏡上的相對角度機(jī)構(gòu)，這三方面的控制可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的軌跡。在加工區(qū)域通過多步往復(fù)加工，可以保證加工表面，加工橫截面的質(zhì)量和外觀要求。尤其是以打孔為例，可以有如圖14所示的螺旋軌跡，圖15所示的斜紋填充軌跡，圖16所示的網(wǎng)格填充軌跡。
[0092]眾所周知，激光器出射的光束在與傳播方向垂直的橫截面上的能量密度分布為高斯分布，如圖17所示。離光斑中心遠(yuǎn)的位置，能量降低。這樣在進(jìn)行激光加工時(shí)，激光能量不足時(shí)，會(huì)使激光加工的刀口出現(xiàn)熔融物，橫截面質(zhì)量不好。因此在其中加入高斯光束整形元件，使光束的能量密度分布為平頂，如圖18所示，O為激光光斑的圓心，光斑半徑為ORl=0R2，激光能量在整個(gè)激光光斑上平均分布，激光光斑無能量梯度差，加工刀口處無熔融物和重鑄層，側(cè)壁光滑。可以通過微透鏡陣列或衍射光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)上述高斯光束整形。
[0093]如圖19所示，在圖13中的平面反射鏡5之后加入一塊高斯光束整形元件，則出射后的光束在與傳播方向垂直的平面上的能量密度分布為平頂。旋轉(zhuǎn)著的平頂光束進(jìn)入兩對光楔，根據(jù)加工需求來調(diào)整光線的平移量和角度，使得加工刀口平整，光滑，無參次不齊的缺口。
[0094]這種激光加工裝置的所有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)都實(shí)現(xiàn)了電控，尤其能夠滿足產(chǎn)品的多樣化和靈活性。優(yōu)勢在于，不僅能加倍轉(zhuǎn)速，提高工作效率，減小激光與工件之間的作用時(shí)間，消除熱影響區(qū)，而且能對孔的直徑和錐度進(jìn)行控制。這種激光加工裝置不僅能勝任微孔的加工，也能完成異型切割。
[0095]以波長為1064nm的激光器為例，所使用的聚焦鏡的焦距為50mm，入射到聚焦鏡之前的光斑直徑為1mm(本實(shí)施例中僅以圓形光斑為例，但其形狀并不限于圓形，還可以是方形或其他形狀，垂直光束入射到高斯光束整形元件5，將高斯特性的圓形光斑轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑，光斑的形狀可以為方形、矩形、線形或者橢圓形等任意形狀，根據(jù)實(shí)際微加工需求來選擇，這些形狀由高斯光束整形元件的設(shè)計(jì)來決定)。則聚焦后的光斑直徑約11.5um.采用圖19所示的裝置，所得的加工結(jié)果最明顯的改善是錐度的改善.如圖20所示，錐度的示意圖，錐度的計(jì)算公式為:
[0096]錐度=(Din-Dout)/厚度
[0097]在工件厚度相同的情況下，入孔孔徑Din和出孔孔徑Dout的差值越小，錐度越小.傳統(tǒng)裝置和圖19所示的裝置，在Imm厚的陶瓷基板上做對比實(shí)驗(yàn)時(shí)，其錐度尺寸如下表所示:
[0098]

--?η fDout I 差值傳統(tǒng)裝置50um 20um 30um
本裝置 50mn 49.5um 0.5um
[0099]當(dāng)然在有的情況下要求錐度為負(fù)值。比如燃油噴嘴，要求Din小于Dout，試驗(yàn)證明在本申請的裝置中，可以完全實(shí)現(xiàn)任意錐度值。
[0100]本發(fā)明并未做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)進(jìn)行的簡單修改，等同變化和修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、道威棱鏡、平面反射鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，所述道威棱鏡被一對楔形鏡替代，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定，并一起放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從這兩個(gè)楔形鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光加工裝置，還包括布置在所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡和所述平面反射鏡之間的兩片式振鏡掃描頭。
4.如權(quán)利要求1或2所述的激光加工裝置，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡還與一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接，可以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，所述平面反射鏡與所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)。
5.一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、一對楔形鏡、平面反射鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等且中心對稱放置，每個(gè)楔形鏡分別放置在一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)先相對旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度然后同步旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的激光加工裝置，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡還與一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接，可以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，所述平面反射鏡在所述兩個(gè)楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)時(shí)也跟著同步旋轉(zhuǎn)。
7.一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、平面反射鏡、一對楔形鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角；所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定；所述平面反射鏡和所述一對楔形鏡一起放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述一對楔形鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面；所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的激光加工裝置，還包括布置在所述透鏡組和所述平面反射鏡之間的道威棱鏡，所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的激光加工裝置，所述平面反射鏡可在光束入射方向上移動(dòng)。
10.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的激光加工裝置，還包括布置在所述平面反射鏡和所述聚焦鏡之間的平行平板，所述平行平板可偏轉(zhuǎn)。
11.一種激光加工裝置，其包括沿光軸方向依次布置的激光器、透鏡組、道威棱鏡、平面反射鏡、第一對楔形鏡、第二對楔形鏡、聚焦鏡和加工工件；所述透鏡組由兩個(gè)透鏡組成，兩個(gè)透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角；所述道威棱鏡安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述道威棱鏡出射的光束也將隨著旋轉(zhuǎn)；所述平面反射鏡用于偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向；所述第一對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對距離可調(diào)整；所述第二對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對角度可調(diào)整；所述第一對楔形鏡和所述第二對楔形鏡置于同一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中以光軸為中心同步旋轉(zhuǎn)；所述聚焦鏡在光束傳輸方向上的位置可調(diào)，光束通過所述聚焦鏡后聚焦在所述加工工件的表面。
12.如權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，所述加工工件放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上，其在與光束的傳輸方向垂直的平面上可作二維運(yùn)動(dòng)。
13.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光加工裝置，還包括布置在所述激光器和所述加工工件之間的高斯光束整形元件，所述激光器的出射光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為高斯分布，從所述高斯光束整形元件出射的光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為能量密度均勻的平頂分布。
14.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光加工裝置，還包括布置在所述激光器和所述透鏡組之間的電子光閘，利用其延時(shí)用于將激光的初始不穩(wěn)定部分遮擋。
15.一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡或一對楔形鏡，從所述道威棱鏡或一對楔形鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，然后通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)，所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定。
16.如權(quán)利要求15所述的激光加工方法，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡還與所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)。
17.如權(quán)利要求15所述的激光加工方法，在所述道威棱鏡或所述一對楔形鏡和所述平面反射鏡之間布置兩片式振鏡掃描頭。
18.—種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的一對楔形鏡，所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等且中心對稱放置，兩個(gè)楔形鏡先相對旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度然后同步旋轉(zhuǎn)，然后通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)。
19.如權(quán)利要求18所述的激光加工方法，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，所述平面反射鏡在所述兩個(gè)楔形鏡同步旋轉(zhuǎn)時(shí)也跟著同步旋轉(zhuǎn)。
20.一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到平面反射鏡，所述平面反射鏡安裝在角度偏轉(zhuǎn)臺(tái)上用以調(diào)整所述平面反射鏡的偏角，光束通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)傳輸方向后入射到一對楔形鏡，所述一對楔形鏡中兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置且相對位置固定，所述平面反射鏡和所述一對楔形鏡一起以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，從所述一對楔形鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，然后光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)。
21.如權(quán)利要求20所述的激光加工方法，激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后先入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡，然后入射到所述平面反射鏡，從所述道威棱鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)。
22.如權(quán)利要求15-21任一項(xiàng)所述的激光加工方法，所述平面反射鏡可在光束入射方向上移動(dòng)。
23.如權(quán)利要求15-21任一項(xiàng)所述的激光加工方法，在所述平面反射鏡和所述聚焦鏡之間布置可偏轉(zhuǎn)的平行平板。
24.一種激光加工方法，其包括:激光器的出射光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后入射到以光軸為中心旋轉(zhuǎn)的道威棱鏡，從所述道威棱鏡出射的光束也以光軸為中心旋轉(zhuǎn)，然后通過平面反射鏡偏轉(zhuǎn)光束的傳輸方向，光束依次入射到以光軸為中心同步旋轉(zhuǎn)的第一對楔形鏡和第二對楔形鏡，光束再通過聚焦鏡后聚焦在加工工件的表面，所述第一對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對距離可調(diào)整；所述第二對楔形鏡中，兩個(gè)楔形鏡的楔角和尺寸都相等，中心對稱放置，之間的相對角度可調(diào)整。
25.如權(quán)利要求24所述的激光加工方法,所述加工工件在與光束的傳輸方向垂直的平面上作二維運(yùn)動(dòng)。
26.如權(quán)利要求15-25任一項(xiàng)所述的激光加工方法，在所述激光器和所述加工工件之間布置高斯光束整形兀件，所述激光器的出射光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為高斯分布，從所述高斯光束整形元件出射的光束在與傳輸方向垂直的橫截面上的能量密度分布為能量密度均勻的平頂分布。
27.如權(quán)利要求15-26任一項(xiàng)所述的激光加工方法，將激光器出射光束的初始不穩(wěn)定部分遮擋。
【文檔編號】B23K26/064GK104162741SQ201410374711
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李俊, 李紀(jì)東, 楊順凱 申請人:北京萬恒鐳特機(jī)電設(shè)備有限公司