CN102218605A - 激光旋切钻孔装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光旋切钻孔装置，激光器的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端布置有45度全反射镜，45度全反射镜的输出端布置有旋光系统，所述旋光系统包含第一楔棱镜、第二楔棱镜、第三楔棱镜和第四楔棱镜，第一楔棱镜和第二楔棱镜为楔角相同的楔棱镜，第一楔棱镜或第二楔棱镜与上下直线运动机构相连，第三楔棱镜和第四楔棱镜为楔角相同的楔棱镜，第三楔棱镜或第四楔棱镜与旋转机构相连，旋光系统的输出端布置有聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台。该装置用于对工件进行激光旋切打孔，可加工直孔、可变锥度的孔及不规则锥孔，得到尺寸可变、锥度可控、边缘光滑的激光打孔效果。

Description

激光旋切钻孔装置
技术领域
本发明涉及一种钻孔加工设备，尤其涉及一种激光旋切钻孔装置。
背景技术
传统的机械钻孔最大的缺点是不能打微孔(小于200um)，且钻头为消耗品，导致钻孔成本高。
由于与传统的钻孔技术相比，激光钻孔更有优势，因而在许多领域得到了应用。其优势包括非接触式处理、材料中输入的热量低、钻孔的材料范围广、精确、一致性好，能够打出μm级大小的孔、打宽高比较大的小孔和以不同的角度钻孔。常用的钻孔技术有定点冲击钻孔和旋切钻孔。其中，冲击钻孔指在一个位置上用脉冲激光束不停地加工，直至孔通。高速飞行钻孔也是一种定点冲击钻孔技术，通常用于滤光片和导流板钻孔。旋切钻孔指加工孔径较大的孔或者具有一定形状的孔，旋切钻孔的优势包括加工的孔径大、一致性好以及能够加工具有一定形状的孔，旋切钻孔还能够降低孔的锥度。激光器具有完美的高斯光束，峰值功率高且脉宽小，非常适用于薄板材、陶瓷和硅材料的钻孔加工。通过改变光学配置可以实现孔径大小的变化。目前，高功率激光器还用于岩石钻孔和油气勘探领域，高功率、高能量激光脉冲还可用于厚金属材料钻孔。
传统的激光旋切钻孔较冲击打孔相比，具有加工孔径灵活、一致性好，且可以降低孔的锥度。但是要钻直孔或者指定锥度的孔型，传统的激光旋切方法难以胜任。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种激光旋棱镜，切钻孔装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
激光旋切钻孔装置，特点是：激光器的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端布置有45度全反射镜，45度全反射镜的输出端布置有旋光系统，所述旋光系统包含第一楔棱镜、第二楔棱镜、第三楔棱镜和第四楔棱镜，第一楔棱镜和第二楔棱镜为楔角相同的楔棱镜，第一楔棱镜或第二楔棱镜与上下直线运动机构相连，第三楔棱镜和第四楔棱镜为楔角相同的楔棱镜，第三楔棱镜或第四楔棱镜与旋转机构相连，所述旋光系统的输出端布置有聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台。
进一步地，上述的激光旋切钻孔装置，所述激光器为脉宽小于20ns的调Q脉冲激光器。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明设备用于对工件进行激光旋切打孔，可加工直孔、可变锥度的孔及不规则锥孔，以得到尺寸可变、锥度可控、边缘光滑的激光打孔效果，解决了激光钻孔过程中的效率及锥度问题，同时也扩大了激光钻孔在微加工领域的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明的构造示意图；
图2：本发明加工状态的示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
Figure BSA00000498198400031
具体实施方式
如图1所示，激光旋切钻孔装置，激光器为脉宽小于20ns的调Q脉冲激光器，激光器的输出端设置有扩束镜1，扩束镜1的输出端布置有45度全反射镜2，45度全反射镜2的输出端布置有旋光系统3，旋光系统3包含第一楔棱镜31、第二楔棱镜32、第三楔棱镜33和第四楔棱镜34，第一楔棱镜31和第二楔棱镜32为楔角相同的楔棱镜，第一楔棱镜31或第二楔棱镜32与上下直线运动机构相连，可沿轴线上下移动，第三楔棱镜33和第四楔棱镜34为楔角相同的楔棱镜，第三楔棱镜33或第四楔棱镜34与旋转机构相连，一片可绕轴线旋转，旋光系统3的输出端布置有聚焦镜4，聚焦镜4正对于加工平台5。
激光器采用波长为532nm的皮秒激光器，皮秒激光脉宽窄，有极高的峰值功率，可使绝大部分材料瞬间达到气化温度，热影响区域小，在激光加工过程中不产生熔渣。激光器发出的光束射入扩束镜1，扩束镜1输出平行光束，再经过旋光系统3使光线偏转特定的角度及位移，光束通过一片楔棱镜时，在一定条件下光束将偏离轴线一定角度，进而导致聚焦后光斑偏离中心点一定位移；楔棱镜绕轴线转动时聚焦后光斑也绕中心点作圆周运动，形成环切。光束通过一楔棱镜组时，在一定条件下光束将偏离轴线一定位移，聚焦后的光线将以一定角度入射到被加工件上，聚焦后激光束的角度决定环切孔锥度；由聚焦镜4聚焦至加工平台5上被加工工件，激光焦点位于工件表面或者工件内部。该装置可在钢板及其他材料上加工直径30～500um的微孔；最大径深比可达1∶20，可加工直孔、不同锥度的锥孔及不规则锥孔。
具体步骤为：激光从激光器中辐照出，经过扩束镜2获得准直均匀的光束，经反射镜2进入旋光系统3。激光与光轴平行入射到旋光系统3内，旋光系统3的旋转轴与光轴同轴，马达带动装置绕轴线转动，使聚焦后的光斑也沿轴心作圆周运动，形成激光环切；其中第四楔棱镜34转过的角度决定环切孔径的大小。第一楔棱镜31或第二楔棱镜32的距离可以通过直线电机驱动控制。第一楔棱镜31和第二楔棱镜32的作用为使激光偏离旋转轴一定距离而不改变激光的传播方向。进而控制聚焦后激光的传播方向；这样可以间接地控制激光打出孔的锥度。在环切加工过程中，第一楔棱镜31与第二楔棱镜32的距离及第三楔棱镜33与第四楔棱镜34的相对角度可以实时调整，这样即可打出孔径、锥度可变的孔型。脉冲激光的单脉冲能量要大于100uJ。激光的焦点位于加工面表面附近。打孔同时，在加工区域吹压缩气体以带走气化或破碎材料。
如图2所示加工过程中加工状态，电机带动旋光系统3运转，使在激光焦点也在被加工面上作高速圆周运动，形成旋切。控制楔棱镜调节孔的尺寸。在加工同时，由吹气装置6需要向工件的加工区域吹压缩空气，使气化和碎裂的材料迅速去除，以免影响下面的加工。随着加工深度的增加，聚焦镜也随之下移，始终保持激光焦点处于被加工面附近，从而可以保持很高的加工效率，获得质量较好的边缘效果。
本发明设备用于对工件进行激光旋切打孔，可加工直孔、可变锥度的孔及不规则锥孔，以得到尺寸可变、锥度可控、边缘光滑的激光打孔效果，解决了激光钻孔过程中的效率及锥度问题，同时也扩大了激光钻孔在微加工领域的应用。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.激光旋切钻孔装置，其特征在于：激光器的输出端设置有扩束镜(1)，扩束镜(1)的输出端布置有45度全反射镜(2)，45度全反射镜(2)的输出端布置有旋光系统(3)，所述旋光系统(3)包含第一楔棱镜(31)、第二楔棱镜(32)、第三楔棱镜(33)和第四楔棱镜(34)，第一楔棱镜(31)和第二楔棱镜(32)为楔角相同的楔棱镜，第一楔棱镜(31)或第二楔棱镜(32)与上下直线运动机构相连，第三楔棱镜(33)和第四楔棱镜(34)为楔角相同的楔棱镜，第三楔棱镜(33)或第四楔棱镜(34)与旋转机构相连，所述旋光系统(3)的输出端布置有聚焦镜(4)，聚焦镜(4)正对于加工平台(5)。
2.根据权利要求1所述的激光旋切钻孔装置，其特征在于：所述激光器为脉宽小于20ns的调Q脉冲激光器。
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