CN104096965A - 激光加工设备和激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工设备和激光加工方法，所述激光加工设备包括：具有全反射面的全反射部件；和激光发生器，所述激光发生器用于朝向所述全反射部件发出激光，所述激光的焦点聚集在所述全反射部件的全反射面上以便所述全反射面将所述激光反射到工件的待加工区域。根据本发明实施例的激光加工设备具有能够同时适用于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况，且结构简单，成本低，效率高，加工效果好等优点。

Description

激光加工设备和激光加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种激光加工设备和激光加工方法。

背景技术

在激光加工中，激光焦点与工件之间的相对位置对激光加工的质量有着重要的影响。导致激光焦点与被加工工件的表面之间相对位置变化的因素很多，如被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、工件在加工过程中的热变形等因素。有些误差可以通过定量补偿方法进行补偿，但有些误差无法通过定量补偿方法进行补偿。

对于形状复杂的工件，工件的部分区域可能不在激光焦平面上，导致激光能量不足，加工效果无法满足要求。目前普遍采用自动变焦控制系统，随着加工面或加工角度的变化，实现改变工件和激光头的相对位置或角度，但是，自动变焦控制系统的变焦范围较小，对凹凸深度较大的区域无法通过变焦进行加工，需要多次装夹工件，从而导致需要较多的定位夹治具，生产成本高，并且产品加工的均匀性不好，而且自动变焦控制系统的结构和操作复杂。

此外，对于大尺寸工件和大尺寸图像以及距离激光发生器距离较大的工件，难以利用传统激光加工设备进行加工，因为，工件无法放到激光发生器镜头下，通常利用机械手带动激光加工头或整个激光发生器随着产品的变化而变化，但是这种激光加工设备的成本非常高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种激光加工设备，该激光加工设备不受激光发生器焦深的限制，能够同时适用于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况，且结构简单，成本低，效率高，加工效果好。

本发明的另一目的在于提出一种激光加工方法，该方法能够适于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种激光加工设备，所述激光加工设备包括：具有全反射面的全反射部件；和激光发生器，所述激光发生器用于朝向所述全反射部件发出激光，所述激光的焦点聚集在所述全反射部件的所述全反射面上以便所述全反射面将所述激光反射到工件的待加工区域。

根据本发明实施例的激光加工设备通过设置具有所述全反射面的所述全反射部件，可以利用所述全反射部件的所述全反射面将所述激光发生器发出的激光反射到所述工件的待加工区域以达到加工所述工件的目的。也就是说，通过设置所述全反射部件，可以改变聚焦后的激光的传播方向，且通过所述全反射部件的所述全反射面反射出的激光的光斑大小和能量与所述激光发生器发出的激光焦点处的光斑大小和能量基本相等。这样可以使所述激光加工设备不受所述激光发生器焦深的限制。换言之，即使所述工件与所述激光发生器之间的距离较大，所述激光加工设备对所述工件的加工效果也可以达到技术要求。对于现有激光加工设备无法加工的尺寸较大的工件，所述激光加工设备可以利用所述全反射部件改变聚焦后的激光的传播方向，使聚焦后的激光达到所述工件上的任何区域。这样不需设置机械手带动所述激光发生器随所述工件的变化而变化，大幅降低了所述激光加工设备的成本。对于现有激光加工设备无法加工的形状不规则和表面凹凸深度较大的工件，所述激光加工设备可以利用所述全反射部件将聚焦后的激光反射到所述工件上，由此可以避免所述工件的待加工区域不在激光的焦平面上，防止出现激光能量不足导致加工效果不理想的情况。这样可以无需设置变焦装置以大幅简化结构和操作，所述工件也无需多次装夹，从而可以提高加工的均匀性和降低生产成本。因此，根据本发明实施例的激光加工设备具有能够同时适用于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况，且结构简单，成本低，效率高，加工效果好等优点。

另外，根据本发明的激光加工设备还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述激光加工设备还包括机架，所述机架具有工作台，所述工作台具有用于固定装夹所述工件的夹治具。这样可以便于工作人员操作，即可以使所述激光加工设备的使用更加方便。

根据本发明的一个实施例，所述全反射部件包括：支架；和全反射镜，所述全反射镜安装在所述支架上且具有所述全反射面。由此不仅可以提高整个所述全反射部件的稳定性，而且可以调节所述全反射部件对所述激光发生器发出的激光的反射角度。

根据本发明的一个实施例，所述全反射镜包括基体和电镀在所述基体的表面上的全反射膜。由此可以使所述全反射镜的结构更加稳定，性能更加可靠且结构简单、制造容易。

根据本发明的一个实施例，所述激光加工设备还包括激光移动装置，所述激光移动装置设在所述机架上，所述激光发生器安装在所述激光移动装置上，所述激光移动装置移动所述激光发生器以改变所述激光发生器与所述全反射部件之间的距离。由此可以提高所述激光加工设备的灵活性、适用性和加工精度。

根据本发明的一个实施例，所述全反射部件相对于所述激光发生器的位置可调，所述全反射面相对于所述激光发生器发出的激光的角度可调。由此可以进一步提高所述激光加工设备的灵活性、适用性和加工精度。

本发明的第二方面提出一种激光加工方法，所述激光加工方法包括以下步骤：控制激光发生器朝向全反射部件的全反射面发射激光，且使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上；和通过所述全反射面将所述激光反射到工件的待加工区域。

根据本发明实施例的激光加工方法，能够适于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况。

根据本发明的一个实施例，使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上是通过移动所述激光发生器以改变所述激光发生器与所述全反射面之间的距离实现的。这种调节方式实现容易且调节范围较大。

根据本发明的一个实施例，使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上是通过控制所述激光发生器改变所述激光的焦点实现的。这种调节方式实现容易且成本低。

根据本发明的一个实施例，所述全反射部件相对于所述激光发生器的位置可调，且所述全反射面相对于所述激光的角度的可调。由此可以提高所述激光加工方法的灵活性、适用性和精确性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的激光加工设备的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的激光加工设备加工大尺寸工件的示意图；

图3是根据本发明实施例的激光加工设备加工表面凹凸深度较大的工件的示意图；

图4是根据本发明实施例的激光加工方法的流程图。

激光加工设备1、工件2、激光3、反射后激光4、机架100、工作台110、全反射部件200、支架210、全反射镜220、激光发生器300、扫描振镜310、f-θ镜320、光纤激光发生器330、激光移动装置400、激光控制单元500、激光电源开关600、激光头控制单元700、夹具控制单元800、激光防护罩900。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的激光加工设备1。如图1-图3所示，根据本发明实施例的激光加工设备1包括全反射部件200和激光发生器300。

全反射部件200具有全反射面。激光发生器300用于朝向全反射部件200发出激光，所述激光的焦点聚集在全反射部件200的所述全反射面上以便所述全反射面将所述激光反射到工件2的待加工区域。

根据本发明实施例的激光加工设备1通过设置具有所述全反射面的全反射部件200，可以利用全反射部件200的所述全反射面将激光发生器300发出的激光反射到工件2的待加工区域以达到加工工件2的目的。也就是说，通过设置全反射部件200，可以改变聚焦后的激光的传播方向，且通过全反射部件200的所述全反射面反射出的激光的光斑大小和能量与激光发生器300发出的聚焦后的激光光斑大小和能量基本相等。这样可以使激光加工设备1不受激光发生器300焦深的限制。换言之，即使工件2与激光发生器300之间的距离较大，激光加工设备1对工件2的加工效果也可以达到技术要求。对于现有激光加工设备无法加工的尺寸较大的工件2，激光加工设备1可以利用全反射部件200改变聚焦后的激光的传播方向，使聚焦后的激光达到工件2上的任何区域。这样不需设置机械手带动激光发生器300随工件2的变化而变化，大幅降低了激光加工设备1的成本。对于现有激光加工设备无法加工的形状不规则和表面凹凸深度较大的工件2，激光加工设备1可以利用全反射部件200将聚焦后的激光反射到工件2上，由此可以避免工件2的待加工区域不在激光的焦平面上，防止出现激光能量不足导致加工效果不理想的情况。这样可以无需设置变焦装置以大幅简化结构和操作，工件2也无需多次装夹，从而可以提高加工的均匀性和降低生产成本。因此，根据本发明实施例的激光加工设备1具有能够同时适用于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况，且结构简单，成本低，效率高，加工效果好等优点。

可选地，激光加工设备1还可以包括机架100，机架100可以具有工作台110，工作台110可以具有用于固定装夹工件2的夹治具。这样可以便于工作人员操作，即可以使激光加工设备1的使用更加方便。

具体地，激光发生器300可以为任意波长的激光发生器，即所述激光由常规激光发生器产生，例如，气体激光发生器、固体激光发生器或半导体激光发生器。所述气体激光发生器包含但不仅限于二氧化碳激光发生器和氩离子激光发生器。固体激光发生器包含但不仅限于YAG激光发生器（钇铝石榴石激光发生器）和YAG激光发生器（掺钕钇铝石榴石激光发生器）及目前打标行业应用较广的光纤激光发生器。优选地，激光发生器300可以为半导体二极管泵浦的光纤激光发生器。

所述激光从激光发生器300产生后可由常规的光学系统或光路传至聚焦镜，聚焦后的光斑刚好处于全反射部件200的所述全反射面，所述全反射镜将聚焦后的光斑反射至工件2进行加工。例如，可以使用扫描振镜，所述扫描振镜可选为适用于普通打标机的常规振镜，所述扫描振镜可控制激光的运行方向，所述扫描振镜可配备f-θ镜以对所述激光进行聚焦，所述f-θ镜的焦距一般选为150mm-300mm，所述f-θ和所述扫描振镜组装后可通过程序控制单元任意改变激光焦点的位置。

图1-图3示出了根据本发明一个具体实施例的激光加工设备1。如图1-图3所示，全反射部件200可以包括支架210和全反射镜220，全反射镜220可以安装在支架210上且全反射镜220可以具有所述全反射面。其中，全反射镜220也可以是包括如凸透镜、凹透镜等其它光学元件的全反射镜组件。由此不仅可以利用支架210支撑全反射镜220以提高整个全反射部件200的稳定性，而且可以通过改变全反射镜220在支架210上的位置以调节全反射部件200对激光发生器300发出的激光的反射角度。

可选地，全反射镜220可以包括基体和电镀在所述基体的表面上的全反射膜。由此可以使全反射镜220的结构更加稳定，性能更加可靠且结构简单、制造容易。

具体地，所述全反射膜可对波长532nm、808nm、1064nm和10640nm中的一种或多种激光进行全反射，即对绿光激光发生器、光纤激光发生器、YAG激光发生器、半导体泵浦固体激光发生器、二氧化碳激光发生器等激光发生器发射的激光都有很好的反射作用，反射率可以高达99.5%以上，这样全反射镜220可用于多种激光发生器的加工中。其中反射波长种类和数量与所述全反射膜有关，包含但不仅限于上述波长。

有利地，所述基体可以为铜基体、金基体或玻璃镜片。这样可以加强全反射镜220的强度，使全反射镜220不易变形。当然，所述基体的材质并不仅限于此。

图1示出了根据本发明一个具体示例的激光加工设备1。如图1所示，激光加工设备1还可以包括激光移动装置400，激光移动装置400可以设在机架100上，激光发生器300可以安装在激光移动装置400上，激光移动装置400可以移动激光发生器300以改变激光发生器300与全反射部件200之间的距离。具体地，激光移动装置400可以为用于移动激光发生器300的激光头的激光头移动装置。通过设置激光移动装置400，可以利用激光移动装置400控制激光发生器300移动，由此可以改变激光发生器300与全反射部件200之间的距离，从而可以提高激光加工设备1的灵活性、适用性和加工精度。

在本发明的一个实施例中，全反射部件200相对于激光发生器300的位置可调，所述全反射面相对于激光发生器300发出的激光的角度可调。具体而言，支架210可以可移动地设在机架100上，且全反射镜220可以可枢转地设在支架210上。由此可以扩大全反射部件200对所述激光光斑的传播路径和角度的调节范围，从而可以进一步提高激光加工设备1的灵活性、适用性和加工精度。

需要理解地是，激光加工时光斑的传播路径和角度也可以根据程序调节。

具体而言，激光发生器300和光路系统（如扫描振镜及f-θ镜）可以与程序控制单元相连，所述程序控制单元根据工件2的材质和所要形成的加工图案来控制所述光路系统和激光发生器300发出的激光的能量、速度、频率，所述激光通过光学器件（f-θ镜或透镜组）聚焦于全反射镜220，全反射镜220反射出去的激光即为平常激光加工所用的焦点位置的激光，所述激光作用在工件2上后即可形成对工件2的加工，加工的图案可根据所述激光在全反射镜220上的运动反射到工件2的表面而形成。

下面参考图1-图3，以利用激光加工剥落阳极氧化产品氧化膜为例详细说明根据本发明实施例的激光加工设备1的工作过程。

如图1所示，激光加工设备1可以包括激光发生器300、激光控制单元500、激光电源开关600、具有工作台110的机架100、激光头控制单元700、全反射部件200、夹具控制单元800和激光防护罩900。激光发生器300是产生激光的装置，激光发生器300可以包括扫描振镜310、f-θ镜320和光纤激光发生器330。激光控制单元500可以包括键盘、鼠标和激光标记控制软件，激光控制单元500用于控制激光的功率、速度、频率及激光运行轨迹。激光电源开关600可以包括电源开关、激光开关、INTERLOCK和急停按钮，激光电源开关600用于控制激光发生器300的电源，所述激光开关用于控制激光发生器300的开启和关闭，所述急停按钮是发生危险时立即停止激光发生器300的按钮。工作台110用来固定全反射部件200和所述夹治具。激光头控制单元700用来调节激光移动装置400从而控制激光发生器300的升降，以调节焦点位置。全反射部件200可以包括全反射镜220及固定全反射镜220的支架210。夹具控制单元800用于控制全反射部件200和所述夹治具，当工件2不需要使用到全反射部件200时，通过夹具控制单元800控制全反射部件200移动以离开激光发生器300的正下方，当工件2需要使用到全反射部件200时，通过夹具控制单元800将全反射部件200移动到激光发生器300正下方即可。激光防护罩900主要起保护作用。

具体地，当加工不需要使用全反射部件200的工件2时，调节夹具控制单元800将全反射部件200移动离开激光3垂直加工范围。当需要使用到全反射部件200进行加工时，先将所述电源开关和所述INTERLOCK调至ON，按下所述激光开关以打开激光发生器300。调节夹具控制单元800将全反射部件200移动至激光发生器300下，通过激光头控制单元700调节激光焦点使焦点刚好落在全反射镜220的所述全反射面上，同时将工件2移动至合适的位置和角度后固定在所述夹治具上，调整全反射镜220反射的角度，使反射后的激光束刚好落在工件2上，然后将全反射镜220固定在支架210上，调节好加工图形的位置即可加工。

下面具体描述利用根据本发明实施例的激光加工设备1加工尺寸较大的工件2（如图2所示）和表面凹凸深度较大的工件2（如图3所示）的工作过程。其中所述基体上镀有1064nm的所述全反射膜。工件2悬空固定在所述夹治具上，激光发生器300是产生1064nm波长的纤维激光发生器，激光发生器300产生激光后，激光通过内光路传输到扫描振镜310，扫描振镜310控制激光的运行方向，激光通过扫描振镜310后传入f-θ镜320，激光经过f-θ镜320聚焦后形成激光3，激光3的焦点刚好落在全反射镜220上，调整全反射镜220反射的角度，然后将全反射镜220固定在支架210上，即使全反射镜220不能相对支架210移动，聚焦反射后激光4直接照射在工件2上，便可完成工件2的加工。

下面参考图3描述根据本发明实施例的激光加工方法，所述激光加工方法包括以下步骤：

A：控制激光发生器300朝向全反射部件200的全反射面发射激光，且使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上；和

B：通过所述全反射面将所述激光反射到工件2的待加工区域。

根据本发明实施例的激光加工方法，能够适于工件的待加工区域的凹凸深度较大和工件的尺寸较大以及工件与激光发生器之间的距离较大的情况。

在本发明的一个具体实施例中，使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上可以是通过移动激光发生器300以改变激光发生器300与所述全反射面之间的距离实现的。这种调节方式实现容易且调节范围较大。

使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上也可以是通过控制激光发生器300改变所述激光的焦点实现的。这种调节方式实现容易且成本低。

所述全反射部件相对于激光发生器300的位置可调，且所述全反射面相对于所述激光的角度的可调。由此可以提高所述激光加工方法的灵活性、适用性和精确性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种激光加工设备，其特征在于，包括：

具有全反射面的全反射部件；和

激光发生器，所述激光发生器用于朝向所述全反射部件发出激光，所述激光的焦点聚集在所述全反射部件的所述全反射面上以便所述全反射面将所述激光反射到工件的待加工区域。

2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，还包括机架，所述机架具有工作台，所述工作台具有用于固定装夹所述工件的夹治具。

3.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于，所述全反射部件包括：

支架；和

全反射镜，所述全反射镜安装在所述支架上且具有所述全反射面。

4.根据权利要求3所述的激光加工设备，其特征在于，所述全反射镜包括基体和电镀在所述基体的表面上的全反射膜。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，还包括激光移动装置，所述激光移动装置设在所述机架上，所述激光发生器安装在所述激光移动装置上，所述激光移动装置移动所述激光发生器以改变所述激光发生器与所述全反射部件之间的距离。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，所述全反射部件相对于所述激光发生器的位置可调，所述全反射面相对于所述激光发生器发出的激光的角度可调。

7.一种激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制激光发生器朝向全反射部件的全反射面发射激光，且使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上；和

通过所述全反射面将所述激光反射到工件的待加工区域。

8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上是通过移动所述激光发生器以改变所述激光发生器与所述全反射面之间的距离实现的。

9.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，使所述激光的焦点聚集在所述全反射面上是通过控制所述激光发生器改变所述激光的焦点实现的。

10.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，所述全反射部件相对于所述激光发生器的位置可调，且所述全反射面相对于所述激光的角度的可调。