CN106425122A - 一种激光旋切加工的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光旋切加工的装置和方法，该装置包括：激光器、螺旋偏转镜片和聚焦镜；激光器发射的脉冲激光经过螺旋偏转镜片和聚焦镜后聚焦在待加工材料的表面；螺旋偏转镜片包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔和第二光楔；其中，旋转轴与脉冲激光的光轴同轴；聚焦光斑始终位于待加工材料的表面；改变第一光楔与第二光楔的相对角度决定聚焦光斑作圆周运动的半径大小。本发明实施例提供的技术方案，可以使聚焦光斑始终位于待加工材料的表面，使待加工的位置始终处于脉冲激光能量汇聚处，进而使切割碎屑污染小，获得良好的切割截面质量，可以克服传统切割中存在的加工效率低、锥度大、重铸层大、易产生污染和易损坏器件等缺点。

Description

一种激光旋切加工的装置及方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，尤其涉及一种激光旋切加工的装置及方法。

背景技术

激光加工是利用高能量激光束经过透镜聚焦后，在焦点上达到极高的能量密度作用在加工材料上，靠光热效应使待加工材料处于高温并发生气化进而达到切割或打孔的加工方法。激光加工时，在焦点处的材料达到上万度的高温，在如此高的温度下，材料被瞬间熔化或气化蒸发，材料的气化物夹带着熔化物喷溅而出，同时伴随着爆炸和冲击，在被加工零件上形成了加工痕迹。激光加工方法以其加工速度快、生产效率高、精度高、材料加工范围广泛、经济效益好等优点，得到精细微加工行业的广泛应用。

激光打孔技术是最早达到实用化的激光加工技术。由于激光打孔具有以上所述的显著优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。随着科学技的高速发展，激光钻孔技术已经在航天航空、汽车制造、电子仪表、食品药品、化工和医疗器械等多种行业中被广泛应用。所加工的零部件主要有：飞机机翼、飞机防冰系统、航空涡轮发动机燃烧室及涡轮叶片、仪表宝石轴承、集成电路板、燃油泵、喷油嘴、过滤器等。与其他打孔技术相比，激光打孔技术突出的特点是高能激光束能量集中，打孔效率高，孔径调节方便，且在加工时不需要使用电解液等液体介质，加工区域整洁，设备易实现多轴数控，具有较高的柔性以及较好的自动化程度，容易实现光、机、电一体化加工。

激光加工优点很多，但仍有很多的不足。例如，激光打孔时，容易出现熔融物飞溅堆积在孔周围、孔内壁出现重铸层、微裂纹，孔锥度较大等；激光切割时，由于锥度原因形成坡形切割边。一般激光加工路径中，单路径打孔时，孔周围残留物或者孔内毛刺较多，不论是圆形孔还是方形孔，这种溅射物的残留都存在，而且在激光入口端的溅射物残留较为严重。这些溅射物的残留是由激光加工过程中液态材料的喷溅导致的。在加工中，液态材料在激光脉冲作用产生的压强下发生溅射，从孔边缘溅出并最终形成附着在孔边缘的溅出物。在微孔加工中，相对较厚的材料来说，若材料钻孔直径与厚度之比达到1：5以上，由于激光光斑较小，切割缝隙也较小，加工时材料不能完全气化去除，即使通过激光旋切的方法将待加工孔轮廓处的材料熔融为液态材料，孔内的材料也难以从孔内喷出。

综上，激光在各个领域的应用越来越广泛，对于脉冲激光打孔或激光切割时存在的缺陷和不足，加工路径的设计是非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光旋切加工的装置，克服现有的激光加工工艺加工效率低、加工质量差等缺陷。

为此目的，本发明提出了一种激光旋切加工的装置，包括：激光器、螺旋偏转镜片和聚焦镜；所述激光器用于发射脉冲激光；所述脉冲激光经过所述螺旋偏转镜片和聚焦镜后聚焦在待加工材料的表面；

所述螺旋偏转镜片包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔和第二光楔，使经过所述聚焦镜聚焦后的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动；

其中，所述旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；所述聚焦镜与所述待加工材料之间的距离随着所述待加工材料的加工深度的增加而相应减小，使所述聚焦光斑始终位于所述待加工材料的表面；改变所述第一光楔与第二光楔的相对角度决定所述聚焦光斑作圆周运动的半径大小。

优选的，该装置还包括：互相连接的控制系统和探测系统；

所述探测系统用于探测所述待加工材料的位置；

所述控制系统用于根据所述待加工材料的位置以及预设的切割形状，确定切割路径。

优选的，该装置还包括：三维移动平台；所述三维移动平台用于承载所述待加工材料；

所述控制系统还用于根据所述切割路径控制所述三维移动平台移动。

优选的，该装置还包括：吸气系统，所述吸气系统设置在所述三维移动平台的上方，用于吸走加工过程中产生的残渣。

优选的，所述聚焦光斑作圆周运动的直径最大值与所述聚焦光斑的直径之和为加工形成的目标孔径的尺寸。

优选的，所述聚焦光斑作螺旋圆周运动，相邻两环形路径之间的间距小于等于所述聚焦光斑的直径。

优选的，该装置还包括：依次设置的光闸、扩束镜、孔径光阑；所述激光器发射的脉冲激光依次经过所述光闸、扩束镜、孔径光阑后进入所述螺旋偏转镜片。

优选的，该装置还包括：驱动所述螺旋偏转镜片绕所述旋转轴旋转的驱动电机。

另一方面，本发明实施例还提供了一种采用上述任意一种所述的激光旋切加工的装置进行激光旋切加工的方法，该方法包括：

通过激光器用于发射脉冲激光；

通过螺旋偏转镜片将经过聚焦镜聚焦后的聚焦光斑在待加工材料的表面作圆周运动；其中，所述螺旋偏转镜片包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔和第二光楔；所述旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；

改变所述第一光楔与第二光楔的相对角度控制所述聚焦光斑作圆周运动的半径大小；

随着所述待加工材料的加工深度的增加，控制所述聚焦镜与所述待加工材料之间的距离相应减小，使所述聚焦光斑始终位于所述待加工材料的表面。

优选的，该方法还包括：

探测所述待加工材料的位置；

根据所述待加工材料的位置以及预设的切割形状，确定切割路径；

根据所述切割路径控制用于承载所述待加工材料的三维移动平台移动。

本发明实施例提供的激光旋切加工的装置及方法，通过利用螺旋偏转镜片的聚焦光路，可以根据需要调节聚焦光斑的聚焦位置和运动轨迹，精确控制聚焦光斑随着切割深度的增加而相应下降，从而使聚焦光斑始终位于待加工材料的表面，使待加工的位置始终处于脉冲激光能量汇聚处，进而使切割碎屑污染小，获得良好的切割截面质量，本发明实施例提供的技术方案，可以克服传统切割中存在的加工效率低、锥度大、重铸层大、易产生污染和易损坏器件等缺点。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的激光旋切加工的装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的螺旋偏转镜片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的激光旋切加工的加工路径的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种激光旋切加工的加工路径的示意图；

图5为本发明实施例提供的激光旋切加工方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种激光旋切加工的装置，该装置可以用于旋切打孔和扫描切割，该装置包括：激光器1、螺旋偏转镜片6和聚焦镜9；所述激光器1用于发射脉冲激光；所述脉冲激光经过所述螺旋偏转镜片6和聚焦镜9后聚焦在待加工材料12的表面；

所述螺旋偏转镜片6包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔61和第一光楔62，使经过所述聚焦镜9聚焦后的聚焦光斑在所述待加工材料12的表面作圆周运动；

其中，所述旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；所述聚焦镜9与所述待加工材料12之间的距离随着所述待加工材料12的加工深度的增加而相应减小，使所述聚焦光斑始终位于所述待加工材料12的表面；改变所述第一光楔61与第一光楔62的相对角度决定所述聚焦光斑作圆周运动的半径大小。

需要说明的是，如图2所示，螺旋偏转镜片6包括第一光楔61和第一光楔62，举例来说，图2中的第一光楔61和第一光楔62的主截面平行且异相设置，经过第一光楔61和第一光楔62后的光束为与光轴平行的光束，通过改变第一光楔61或第一光楔62的偏转角，可以改变经过第一光楔62出射的光束的方向，从而改变聚焦后，聚焦光斑与光轴之间的距离，由于第一光楔61和第一光楔62绕光轴旋转，所以形成的聚焦光斑也绕光轴作圆周运动形成光圈，圆周运动的半径为聚焦光斑与光轴之间的距离。因此通过改变第一光楔61或第一光楔62的偏转角，可以改变光圈的半径大小，即可以改变作圆周运动的半径。

进一步需要说明的是，为了使光学聚焦焦点始终在被加工的材料上表面上，实现最优化的高效运用激光器1的能量，随着加工深度的增加，需要调节焦点相应下降，使焦点始终处于被加工材料表面。由于焦点的下降并同时作圆周运动，因此可以形成如图3、4所示的螺旋光圈。其中，为了使焦点下降，可以通过改变聚焦镜9与待加工材料12之间的距离，使聚焦镜9的高度下降，缩小聚焦镜9与待加工材料12之间的距离，从而使焦点下移。

具体的，通过调节螺旋偏转镜片6的偏转角可以控制一次切割的切割道的宽度，经过多次反复最终可以调制出合适的切割道宽度，提高切割效率，根据加工材料的属性和加工方式(切割或打孔)可以设计不同的加工路径和扫描方向。一般切割道宽度为聚焦光斑直径的5-8倍即可。旋切打孔工艺是指打孔时沿着圆形路径反复扫描，切割深度不断加深，使材料逐层去除，对于旋切打孔，聚焦光斑扫描方向从内到外，即螺旋光圈半径逐渐增大，形成的目标孔径大小为螺旋光圈的直径最大值与聚焦光斑的直径之和，即目标孔径尺寸等于聚焦光斑作圆周运动的直径最大值与聚焦光斑的直径之和。若要切割出一定直径的圆形材料，则聚焦光斑的扫描方向由外向内，螺旋光圈半径逐渐减小。进一步的，如图3、4所示，聚焦光斑作螺旋圆周运动，相邻两环形路径之间的间距a不能超过光斑直径尺寸，即相邻两环形路径之间的间距小于等于所述聚焦光斑的直径，从而确保路径之间的材料都能被扫描到并被去除。

其中，本发明实施例所采用的待加工材料12，可以是金属材料、玻璃或类似玻璃的易碎、硬质材料。所采用的激光器1可以为高频率超短脉冲的皮秒激光器或飞秒激光器。超短脉冲激光短于绝大多数化学和物理反应，比如机械和热力学的特征时间等，峰值功率极高，由于超短激光脉冲与物质相互中和产生独特的多光子吸收过程，所以其加工精度可以突破相干极限的瓶颈，从而使纳米加工和相应微/纳电子、微/纳光学的许多构想成为可能。而超快激光脉冲序列可以控制电离过程、选择性地电离原子、控制分子中基态转动等。

需要说明的是，采用高频超短脉冲激光加工与传统加工方法相比，具有许多独到之处：

(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。

(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。

(3)聚焦光斑小，易获得良好的切割截面质量，切割碎屑污染小，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。

(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。

综上，本发明实施例提供的激光旋切加工的装置，通过利用螺旋偏转镜片的聚焦光路，可以根据需要调节聚焦光斑的聚焦位置和运动轨迹，精确控制聚焦光斑随着切割深度的增加而相应下降，从而使聚焦光斑始终位于待加工材料的表面，使待加工的位置始终处于脉冲激光能量汇聚处，进而使切割碎屑污染小，获得良好的切割截面质量，本发明实施例提供的技术方案，可以克服传统切割中存在的加工效率低、锥度大、重铸层大、易产生污染和易损坏器件等缺点。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的激光旋切加工的装置还包括：互相连接的控制系统和探测系统8；

所述探测系统8用于探测所述待加工材料12的位置；

所述控制系统用于根据所述待加工材料12的位置以及预设的切割形状，确定切割路径。

具体的，探测系统8可以为同轴CCD对位观察系统，如图1所示，探测系统8与脉冲激光束的光轴同轴设置，从而可以准确定位待加工材料12与光轴之间的位置关系。其中，控制系统可以将加工图形转化为数字信号，形成实际切割路径，在加工开始前，探测系统8可以采集待加工材料12的位置图像信息，控制系统利用抓耙程序抓取待加工材料12上的定位标志，计算补偿值，实现所需的切割图形和实际切割路径的精确匹配。

进一步的，本发明实施例提供的装置还包括三维移动平台13；所述三维移动平台13用于承载所述待加工材料12；

所述控制系统还用于根据所述切割路径控制所述三维移动平台13移动。

具体的，控制系统将切割图形转化为数字信号，然后驱动三维平台移动，形成切割道，同时，同轴CCD对位观察系统实现切割图形和实际切割道的精确匹配，并在加工时也能实时观察加工进程和效果。

进一步的，本发明实施例提供的装置还包括：吸气系统10，所述吸气系统10设置在所述三维移动平台13的上方，用于吸走加工过程中产生的残渣。具体的，在加工材料时，在激光划线形成切割道前，可以将压缩气体沿着切割道吹下，将材料上的杂质吹走，并通过设置在三维移动平台13正上方的吸气系统10将加工过程中产生残渣吸走，其中，吸气系统10可以与光轴同轴设置，以便将切割残渣吸出，将残渣对材料表面的影响降到最低，以提高激光旋切加工材料的工艺重复性和稳定性。所以本发明采用新的思维方式，重新设计了脉冲激光旋切加工方案，辅以同轴辅助气体，实现激光加工效果的提升，旋切加工工艺能够实现较理想的孔形精度。

进一步的，本发明实施例提供的装置还包括：依次设置的光闸2、扩束镜3、孔径光阑4；所述激光器1发射的脉冲激光依次经过所述光闸2、扩束镜3、孔径光阑4后进入所述螺旋偏转镜片6。

如图1所示，激光器1发出的脉冲激光可以经过电动光闸2，由电动光闸2控制开关光，具体的，可以由软件控制感应信号来控制光闸2的开启和关闭，从而实现激光器1的外部控制激光开关；脉冲激光经过光闸2后再经过电动扩束镜3对光束进行同轴扩束，一方面改善光束传播的发散角，达到光路准直的目的，另一方面，可以控制激光最终聚焦光斑的大小，从而得到理想的光斑大小，实现激光稳定切割的目的。经过扩束镜3扩束后光束经过孔径光阑4，挡去边缘质量较差的光。之后可以通过两片45度全反射镜51、52，使光路垂直改向，然后再入射到螺旋偏转镜片6，其中，该装置还包括：驱动所述螺旋偏转镜片6绕所述旋转轴旋转的驱动电机7，螺旋偏转镜片6的高速旋转使形成的聚焦光斑做圆周运动，改变螺旋偏转镜片6的两个光楔的相对角度可以控制聚焦光斑做圆周运动的半径大小。脉冲激光经过螺旋偏转镜片6后可以通过1片45度全反射镜53使光路垂直改向，然后经过聚焦镜9聚焦后聚焦在待加工材料12的上表面。随着加工深度的增加，通过改变聚焦镜9与待加工材料12之间的距离，使聚焦光斑下降，从而使聚焦光斑作螺旋圆周运行，形成如图3、4所示的螺旋光圈。

通过采用高重复频率、超短脉冲激光器1发射脉冲激光，并通过螺旋偏转镜片6将聚焦光斑高速旋转起来，随着切割深度的变化，聚焦光斑的下降，形成如图3、4所示的螺旋光圈。聚焦光斑不同行进速度下，形成如图3和图4所示，不同的密集程度的螺旋光圈，获得可调节的切割线间距，并形成重复切割，提高切割效率。对于不同的材料，激光的去除能力不同，需要控制聚焦光斑采用不同的进行速度，形成不同的重复率的螺旋光圈进行有效切割。其中，驱动电机7通常的转速为2000转/分，切割材料时聚焦光斑的行进速度选择2-4毫米/秒，加工效率较高。螺旋光圈的直径选择过大会造成激光加工面积的增大，影响加工效率，光圈过小也会造成光无法往下聚焦，不容易切穿材料，所以光圈直径和加工材料的厚度比一般选择1:2时加工效率较高。

如图1所示，可以在三维移动平台13上方设置CCD照明灯11，便于同轴CCD对位观察系统探测到清晰的待加工材料12的位置图像信息，便于进行加工过程和加工效果的观察。

另一方面，如图5所示，本发明实施例提供了一种采用上述实施例提供的激光旋切加工的装置进行激光旋切加工的方法，该方法包括：

S1：通过激光器1用于发射脉冲激光；

S2：通过螺旋偏转镜片6将经过聚焦镜9聚焦后的聚焦光斑在待加工材料12的表面作圆周运动；其中，所述螺旋偏转镜片6包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔61和第一光楔62；所述旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；

S3：改变所述第一光楔61与第一光楔62的相对角度控制所述聚焦光斑作圆周运动的半径大小；

S4：随着所述待加工材料12的加工深度的增加，控制所述聚焦镜9与所述待加工材料12之间的距离相应减小，使所述聚焦光斑始终位于所述待加工材料12的表面。

进一步的，该方法还包括：

探测所述待加工材料12的位置；

根据所述待加工材料12的位置以及预设的切割形状，确定切割路径；

根据所述切割路径控制用于承载所述待加工材料12的三维移动平台13移动。

本发明实施例提供的激光旋切加工的方法，通过利用螺旋偏转镜片的聚焦光路，可以根据需要调节聚焦光斑的聚焦位置和运动轨迹，精确控制聚焦光斑随着切割深度的增加而相应下降，从而使聚焦光斑始终位于待加工材料的表面，使待加工的位置始终处于脉冲激光能量汇聚处，进而使切割碎屑污染小，获得良好的切割截面质量，本发明实施例提供的技术方案，可以克服传统切割中存在的加工效率低、锥度大、重铸层大、易产生污染和易损坏器件等缺点。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光旋切加工的装置，其特征在于，包括：激光器、螺旋偏转镜片和聚焦镜；所述激光器用于发射脉冲激光；所述脉冲激光经过所述螺旋偏转镜片和聚焦镜后聚焦在待加工材料的表面；

所述螺旋偏转镜片包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔和第二光楔，使经过所述聚焦镜聚焦后的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动；

其中，所述旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；所述聚焦镜与所述待加工材料之间的距离随着所述待加工材料的加工深度的增加而相应减小，使所述聚焦光斑始终位于所述待加工材料的表面；改变所述第一光楔与第二光楔的相对角度决定所述聚焦光斑作圆周运动的半径大小。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：互相连接的控制系统和探测系统；

所述探测系统用于探测所述待加工材料的位置；

所述控制系统用于根据所述待加工材料的位置以及预设的切割形状，确定切割路径。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：三维移动平台；所述三维移动平台用于承载所述待加工材料；

所述控制系统还用于根据所述切割路径控制所述三维移动平台移动。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：吸气系统，所述吸气系统设置在所述三维移动平台的上方，用于吸走加工过程中产生的残渣。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦光斑作圆周运动的直径最大值与所述聚焦光斑的直径之和为加工形成的目标孔径的尺寸。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦光斑作螺旋圆周运动，相邻两环形路径之间的间距小于等于所述聚焦光斑的直径。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：依次设置的光闸、扩束镜、孔径光阑；所述激光器发射的脉冲激光依次经过所述光闸、扩束镜、孔径光阑后进入所述螺旋偏转镜片。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：驱动所述螺旋偏转镜片绕所述旋转轴旋转的驱动电机。

9.一种采用权利要求1-6任意一项所述的激光旋切加工的装置进行激光旋切加工的方法，其特征在于，包括：

通过激光器用于发射脉冲激光；

通过螺旋偏转镜片将经过聚焦镜聚焦后的聚焦光斑在待加工材料的表面作圆周运动；其中，所述螺旋偏转镜片包括绕同一旋转轴旋转的第一光楔和第二光楔；所述旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；

改变所述第一光楔与第二光楔的相对角度控制所述聚焦光斑作圆周运动的半径大小；

随着所述待加工材料的加工深度的增加，控制所述聚焦镜与所述待加工材料之间的距离相应减小，使所述聚焦光斑始终位于所述待加工材料的表面。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

探测所述待加工材料的位置；

根据所述待加工材料的位置以及预设的切割形状，确定切割路径；

根据所述切割路径控制用于承载所述待加工材料的三维移动平台移动。