CN102649194A - 一种光学盲点的激光加工方法及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学盲点的激光加工方法及激光加工装置。该激光加工方法包括对激光器产生的激光进行聚焦，使焦点落于反射镜表面，然后调节反射镜将激光的焦点反射至工件上，对工件进行加工。该方法工艺简单、成本低、加工局限性小，可对具有光学死角的部分或不同平面的工件进行有效的加工。

Description

一种光学盲点的激光加工方法及激光加工装置

技术领域

本发明尤其涉及一种光学盲点的激光加工方法及使用该方法的激光加工装置。

背景技术

激光技术是涉及光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术。目前激光技术的应用越来越广泛，其中，应用最大的领域为激光加工技术领域。激光加工技术是利用高能激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、标记、表面处理、打孔、微加工以及作为光源，识别物体的一门技术。激光加工技术是一种现代精密加工方法，与现有的机械加工、点火花加工等传统的加工方法相比，具有精度高、小型化、清洁无污染等优点。

目前，随着激光技术的发展，激光加工技术的应用越来越广泛，特别在IT及汽车行业，注塑或冲压模具的不断进步，注塑、冲压和铸造出来的工件整体化程度越来越大，复杂程度也相应增加，如果工件需要做激光加工的后续处理，就可能出现工件的部分结构会挡住激光，一次装夹无法满足整个工件的加工，目前解决这一问题普遍采用的是两种方法：一是采用机械手的方法带动激光加工头或是整个激光器，让加工头随着产品的变化而变化，从而达到加工的目的。这种方法对大工件的加工有较好的效果，但是对于结构复杂的较小工件，如手机、笔记本等IT产品上的小零件时，机械手所带的激光加工头也无法伸入死角部位进行加工，并且这种加工设备成本很高；另外一种方法是产品多次装夹，所谓多次装夹就是在激光加工中，随着加工面或加工角度的变化，随时改变产品和激光加工头的相对位置或角度并定位，已达到完成加工的目的，这种加工方法的缺陷是需要较多的定位夹治具，生产投入成本高，并且不同面的加工存在搭接困难，会导致产品加工的均匀性不好，特别是有些产品的死角部位，无论如何改变产品的角度，都无法将被加工部位很好的对着激光能够传送到的地方，从而无法完成加工，限制了激光的使用。

发明内容

为了克服现有技术中激光加工时工艺复杂、成本高、加工部位存在较大局限性的问题，本发明提供了一种光学盲点的激光加工方法，该方法工艺简单、成本低、加工局限性小，可对具有光学死角的部分或不同平面的工件进行有效的加工。

本发明公开的激光加工方法，包括对激光器产生的激光进行聚焦，使焦点落于反射镜表面，然后调节反射镜将激光的焦点反射至工件上，对工件进行加工。

同时，本发明还公开了一种激光加工装置，包括激光器、光路系统和程序控制单元；所述光路系统与激光器连接，并可对激光的运动和聚焦进行控制；所述程序控制单元与激光器和光路系统连接，并可对激光的产生和运动路线进行控制；所述激光加工装置还包括反射镜，所述反射镜可将激光的焦点反射至工件上，实现对工件的加工。

本发明中，激光器产生的激光经光路系统的处理后，产生的焦点落于反射镜表面，通过反射镜的反射作用将焦点反射到工件待加工的部位进行加工。该方法无需设置数量繁多的夹具，也不需要使用机械手，大大降低了成本；而且，随着工件的复杂化，工件内部很难被激光直接照射到，致使其难以被有效的加工，而采用该方法可对具有光学死角的部分或不同平面的工件进行有效的加工，其使用局限性小。

附图说明

图1是本发明公开的激光加工装置示意图。

图2是本发明公开的激光加工装置的第一种实施方式示意图。

图3是本发明公开的激光加工装置的第二种实施方式示意图。

其中，附图标记：1、激光器；2、扫描振镜；3、聚焦镜；4、反射镜；5、工件；6、激光束；7、焦点；8、程序控制单元；9、夹具。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的激光加工方法包括对激光器产生的激光进行聚焦，使焦点落于反射镜表面，然后调节反射镜将激光的焦点反射至工件上，对工件进行加工。

本发明中，所述激光可以为现有技术中的各种波长的激光，该激光由常规的激光器产生。所述激光器可以为气体激光器、固体激光器或半导体激光器中的一种或多种。具体的，所述气体激光器包含但不仅限于二氧化碳激光器和氩离子激光器。固体激光器包含但不仅限于钇铝石榴石激光器（YAG激光器）和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG激光器），及目前打标行业应用较广的光纤激光器，所述激光器优选半导体二极管泵浦的光纤激光器。上述各种激光器均可通过商购得到。

上述激光器仅为激光发生装置，作为本领域技术人员所公知的，激光器产生激光后还需经过光路系统的进一步调节和控制。上述光路系统通常包括设置有聚焦镜的扫描振镜。所述扫描振镜可控制激光的运行方向。所述聚焦镜可选用常规的f-θ镜。聚焦镜可对激光进行聚焦，形成焦点。上述扫描振镜和聚焦镜均可通过商购得到。如本领域技术人员所公知的，通过扫描振镜和聚焦镜的配合，可激光焦点的形成位置以及焦点的运动进行控制。特别是在程序控制单元的控制下，可完美的控制焦点按预定路线进行运动，实现打标或切割等工作。

为了实现更精确的控制，优选情况下，所述聚焦镜的焦距为150-300mm。

作为本领域技术人员所公知的，激光器通常与上述光路系统配合使用。针对特定的需要加工的工件，对激光器和光路系统的参数调节也是本领域技术人员所公知的，例如，当需要加工的工件表面为阳极氧化层时，可以选择的剥落参数为：激光的调Q频率为20千赫兹，激光光斑运行速度为800毫米/秒，功率为12瓦，聚焦镜的焦距为160mm。

在本发明中，通过调节光路系统，使焦点落于反射镜表面。上述控制方法为本领域技术人员都知道的，例如，可根据激光的焦距来测量激光镜头到反射镜之间的距离来衡量，当测量的距离等于激光的焦距时即可确认焦点落于反射镜表面。

本发明中采用的反射镜对激光的反射率为99.5%以上，针对现有技术中的各种激光器产生的激光，优选情况下，上述反射镜可对波长为532nm、808nm、1064nm或10640nm的激光中的一种或多种进行反射。

具体的，上述反射镜包括基材和位于基材表面的反射膜；对于该反射镜的基材，没有太大要求，例如，所述基材选自光学玻璃、铜、金、氟化钙、硅中的一种或多种。作为对激光的焦点进行反射其主要作用的部分，优选情况下，反射膜选自三氧化二铝膜、氧化硅膜、HFO₂膜或LaF₃/MgF₂膜中的一种或多种。

基材表面的反射膜可以为一层或多层。当反射膜仅为一层时，可对该反射膜所针对的特定波长的激光进行有效的反射。上述反射镜表面特定的反射膜可针对性反射的激光的波长为本领域技术人员所公知的。

通常，为了提高反射镜的使用效率，可在基材表面形成多层不同的反射膜，得到具有多层反射膜的反射镜。即，所述反射膜至少包括三氧化二铝膜、氧化硅膜、HFO₂膜或LaF₃/MgF₂膜中的两种。对于该具有多层反射膜的反射镜，可对该多层反射膜所针对的特定波长的激光各自进行全反射，其中某层反射膜对其可反射的特定波长以外的激光无反射作用，可直接被该非特定波长的激光通过；以上结构赋予了一个反射镜可对多种不同波长的激光进行反射功能。例如，当基材表面从下至上一次具有三氧化二铝膜和氧化硅膜，即最外层为氧化硅膜，当氧化硅膜可反射的激光照射到反射镜上时，激光会被直接掉。而当其他波长的激光（例如三氧化二铝膜可反射的激光）照射到反射镜上时，会直接穿过表层的氧化硅膜，照射到次外层的三氧化二铝膜上，当该激光为三氧化二铝膜可反射的激光时，该激光会被三氧化二铝膜反射后经过氧化硅膜射出反射镜。依次类推，当反射镜中含有更多层反射膜时，可对各自对应波长的激光进行反射，而对其他波长的激光不会产生遮挡作用。

为了更好的实现反射效果，优选情况下，所述反射膜厚度为2-10um。

上述反射镜可以通过商购得到，其制备方法也是本领域技术人员所公知的，例如：通过现有的真空镀或磁控溅射的方法在基材表面形成上述各种特定物质的膜层即可。

根据本发明公开的方法，控制激光的焦点落于反射镜表面后，由于反射镜的反射作用，焦点被反射出去。此时，可通过调节反射镜的角度，控制反射出去的焦点的位置。该控制方法为公知的，与在太阳光下采用反射镜控制反射后的太阳光在阴暗部分的位置的方法类似。优选情况下，调节反射镜的角度时以焦点在反射镜上的点为中心进行调节，保证落于反射镜表面的是激光的焦点，即同时保证了反射出去的是激光的焦点。

通过上述方法调节激光的焦点到达工件上，即可对工件进行加工，例如进行激光切割、激光打标等等。进行加工时，调整反射镜使焦点到达工件上待加工的位置后，按照所需加工的图案或路线，由程序控制单元按照设定的程序调节光路系统，控制聚焦后的焦点在反射镜表面的运行路线，进而控制反射到工件表面的焦点的运行路线，从而实现对工件的加工。

通过以上方法即可完成对工件的加工，由于经反射镜反射后的焦点非常小，可对结构复杂的微小工件内部进行加工，加工的局限性小，成本低。

为了更具体的实现本发明公开的方法，本发明还公开了一种激光加工装置，包括激光器、光路系统和程序控制单元；所述光路系统与激光器连接，并可对激光的运动和聚焦进行控制；所述程序控制单元与激光器和光路系统连接，并可对激光的产生和运动路线进行控制；所述激光加工装置还包括反射镜，所述反射镜可将激光的焦点反射至工件上，实现对工件的加工。

如上文所述，所述激光器可以为气体激光器、固体激光器或半导体激光器中的一种或多种。具体的，所述气体激光器包含但不仅限于二氧化碳激光器和氩离子激光器。固体激光器包含但不仅限于钇铝石榴石激光器（YAG激光器）和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG激光器），及目前打标行业应用较广的光纤激光器，所述激光器优选半导体二极管泵浦的光纤激光器。上述各种激光器均可通过商购得到。

上述光路系统通常包括设置有聚焦镜的扫描振镜。所述扫描振镜可控制激光的运行方向。所述聚焦镜可选用常规的f-θ镜。聚焦镜可对激光进行聚焦，形成焦点。上述扫描振镜和聚焦镜均可通过商购得到。如本领域技术人员所公知的，通过扫描振镜和聚焦镜的配合，可激光焦点的形成位置以及焦点的运动进行控制。特别是在程序控制单元的控制下，可完美的控制焦点按预定路线进行运动，实现打标或切割等工作。为了实现更精确的控制，优选情况下，所述聚焦镜的焦距为150-300mm。

通常，上述激光器和光路系统会作为整套设备出售，即二者可通过商购同时获得。通过将激光器和光路系统连接至程序控制单元，实现对激光器和光路系统的程序控制，提高加工精度。

对于激光加工装置中的反射镜，如前文所述，本发明中采用的反射镜对激光的反射率为99.5%以上，针对现有技术中的各种激光器产生的激光，优选情况下，上述反射镜可对波长为532nm、808nm、1064nm或10640nm的激光中的一种或多种进行反射。

具体的，上述反射镜包括基材和位于基材表面的反射膜；对于该反射镜的基材，没有太大要求，例如，光学玻璃、铜、金、氟化钙、硅中的一种或多种。作为对激光的焦点进行反射其主要作用的部分，优选情况下，反射膜选自三氧化二铝膜、氧化硅膜、HFO₂膜或LaF₃/MgF₂膜中的一种或多种。基材表面的反射膜可以为一层或多层。当反射膜仅为一层时，可对该反射膜所针对的特定波长的激光进行有效的反射。上述反射镜表面特定的反射膜可针对性反射的激光的波长为本领域技术人员所公知的。优选情况下，所述反射膜厚度为2-10um。 

作为本发明公开的激光加工装置的重要组成部分，所述反射镜用于将光路系统聚焦得到的焦点反射到工件上。所以，所述反射镜位置没有太大限制，只要能将光路系统聚焦得到的焦点到反射工件上即可。优选情况下，所述反射镜设置于光路系统和工件之间，由光路系统产生的激光焦点落于反射镜表面，通过反射镜反射到工件上。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

参见图1，该激光加工装置包括工作台，工作台上设置有激光器1和光路系统，其中，光路系统包括扫描振镜2和聚焦镜3，聚焦镜安装于扫描振镜2下方，扫描振镜2连接至激光器1，用来实现对激光器1产生的激光进行调节。

工作台上还设置有程序控制单元8，本实施例中，程序控制单元8为安装有相应软件的电脑系统。程序控制单元8与激光器1、扫描振镜2和聚焦镜3连接，实现对激光器1、扫描振镜2和聚焦镜3的控制。

该激光加工装置还包括反射镜（图中未示出）。反射镜可放置于工作台上。该激光加工装置使用时，可采用夹具将工件固定于工作台上，将反射镜放置于工件与聚焦镜3之间，通过程序控制单元8控制扫描振镜2和聚焦镜3，使激光聚焦的焦点落于反射镜表面，然后调整反射镜的角度使焦点反射到工件表面，然后根据预先设定的程序，由程序控制单元8控制焦点的运动路线，从而实现对工件的加工。

图2示出了本发明公开的激光加工装置的第一种实施方式，以普通光纤打标机（波长1064nm，功率20W）剥落阳极氧化产品氧化膜为例，所述激光加工装置包括激光器1和光路系统，其中，光路系统包括扫描振镜2和聚焦镜3，聚焦镜安装于扫描振镜2下方，扫描振镜2连接至激光器1，用来实现对激光器1产生的激光进行调节。该激光加工装置还包括程序控制单元（图中未示出），用于对激光器1和光路系统进行控制。

反射镜4通过支架设置于聚焦镜3正下方，并倾斜放置。反射镜4可将激光器1发出的波长为1064nm的激光反射出去。工件5固定在夹具9上，工件5和夹具9上共同放置于聚焦镜3下方。

激光器1产生激光后，激光传输到扫描振镜2，经过扫描振镜2调整方向后传输到聚焦镜3，经过聚焦镜3聚焦后的激光束6在反射镜4表面形成焦点。调整反射镜4的角度，使焦点7反射到工件5上的待加工区域。焦点7的运行路线和能量、频率、速度均可由程序控制单元控制，如调Q频率20千赫兹，激光光斑运行速度800毫米/秒，功率12瓦。

通过以上方法可对位置固定的工件5的底面进行有效加工。

图3示出了本发明公开的激光加工装置的第二种实施方式，对工件5的死角部位进行加工。本实施方式中，激光加工装置的结构与第一种实施方式的相同。

反射镜4平放于工件5上，激光器1产生激光后，激光传输到扫描振镜2，经过扫描振镜2调整方向后传输到聚焦镜3，经过聚焦镜3聚焦后的激光束6在反射镜4表面形成焦点。通过扫描振镜2对激光束6的方向进行调节，使焦点落于反射镜4表面，并经过反射镜4反射后照射到工件5的待加工区域，然后由程序控制单元控制焦点7的运行路线和能量、频率、速度，实现对工件5的死角进行有效加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光学盲点的激光加工方法，包括对激光器产生的激光进行聚焦，使焦点落于反射镜表面，然后调节反射镜将激光的焦点反射至工件上，对工件进行加工。

2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述反射镜对激光的反射率为99.5%以上。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工方法，其特征在于，所述反射镜可对波长为532nm、808nm、1064nm或10640nm的激光中的一种或多种进行反射。

4.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，所述反射镜包括基材和位于基材表面的反射膜；所述基材选光学玻璃、铜、金、氟化钙、硅中的一种或多种，所述反射膜厚度为2-10um，反射膜选自三氧化二铝膜、氧化硅膜、HFO2膜或LaF₃/MgF₂膜中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，所述反射膜至少包括三氧化二铝膜、氧化硅膜、HFO₂膜或LaF₃/MgF₂膜中的两种。

6.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光器选自气体激光器、固体激光器或半导体激光器中的一种或多种。

7.一种激光加工装置，包括激光器、光路系统和程序控制单元；所述光路系统与激光器连接，并可对激光的运动和聚焦进行控制；所述程序控制单元与激光器和光路系统连接，并可对激光的产生和运动路线进行控制；

其特征在于，所述激光加工装置还包括反射镜，所述反射镜可将激光的焦点反射至工件上，实现对工件的加工。

8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，所述反射镜设置于光路系统和工件之间，由光路系统产生的激光焦点落于反射镜表面，通过反射镜反射到工件上。

9.根据权利要求7或8所述的激光加工装置，其特征在于，所述反射镜可对波长为532nm、808nm、1064nm或10640nm的激光中的一种或多种进行反射。

10.根据权利要求9所述的激光加工装置，其特征在于，所述反射镜包括基材和位于基材表面的反射膜；所述基材选自光学玻璃、铜、金、氟化钙、硅中的一种或多种，所述反射膜厚度为2-10um，反射膜选自三氧化二铝膜、氧化硅膜、HFO₂膜或LaF₃/MgF₂膜中的一种或多种。

11.根据权利要求7或8所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光器选自气体激光器、固体激光器或半导体激光器中的一种或多种；所述光路系统包括设置有聚焦镜的扫描振镜，所述聚焦镜的焦距为150-300mm。

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