CN106001944B - 一种利用激光光束打孔的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用激光光束打孔的装置和方法，所述装置包括容器(20)、激光输出整形器(50)和驱动系统(31)，激光输出整形器(50)位于容器(20)内，并与容器(20)可转动连接，激光输出整形器(50)包括激光器阵列和凸透镜阵列，激光器阵列包括沿直线排列、并以激光输出整形器(50)的旋转轴线为对称中心的偶数个激光器，凸透镜阵列包括与激光器一一对应设置的凸透镜，且各个凸透镜沿竖直方向位置可调，激光输出整形器(50)还包括用于分别调整各个激光器的光束强度的控制器；驱动系统(31)用于驱动激光输出整形器(50)转动。本发明能够更加简单、便捷地实现激光打孔，且有利于制作出锥度较小的孔。

Description

一种利用激光光束打孔的装置和方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种利用激光光束打孔的装置和方法。

背景技术

激光打孔技术是一种以激光束为热源，采用热去除方法对材料进行分离的技术。在激光打孔的过程中，高功率的脉冲激光聚焦在工件表面，材料被迅速加热到熔化及汽化的温度，随后在材料气体急剧膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力的共同作用下，工件上熔融状态的液体被挤出孔外，并在后续脉冲激光作用下持续上述过程，材料不断去除，直至形成通孔。

在使用激光打孔技术加工通孔时，锥度是衡量孔质量的重要指标，锥度越大说明孔的质量越差，目前的激光加工方法所加工的孔产生较大锥度的原因主要有以下三种：

(1)加工开始时，激光束的焦点在工件表面上，随着加工平面的向下延伸，加工表面的热量会逐渐降低，而且，高压辅助气体在深孔中压力损耗过大，孔底的熔融材料会难以排出，因此，底部孔径逐渐变小，最终形成锥孔；

(2)激光脉冲的光强在空间上为高斯分布，激光束中间能量高而边缘能量低，因此，通孔轴心线上的材料容易去除，而轴心线四周的材料较难去除，最终形成锥孔；

(3)被加工的材料在激光的辐照下气化，生成蒸汽，高温蒸汽中的热电子致使其他中性粒子发生电离，形成光致等离子体，而等离子体对激光有吸收作用。随着激光打孔过程的持续进行，等离子体不断增加，对激光功率的削减作用越来越大，使得孔底材料获得的能量减小，所形成的孔径随着孔深度的增加而变小，最终形成锥孔。

针对上述情况，中国发明专利CN201310172352提出了一种在打孔的激光束中加入纳米级粒子流的方法，通过纳米级粒子流对所加工的微孔进行抛光，以改善所成孔的锥度。但是，精确地控制纳米级粒子流进入到微孔中在实际操作时存在较大的难度，尤其是当孔径仅为微米级时，由于表面张力太大，流体甚至很难进入到微孔之中。

另一中国发明专利CN201410050557提出一种利用电磁场提高激光束性能的方法来改善激光打孔锥度的方法，但所使用的装置较为复杂，且必须是高能量的磁场才足以消除锥度。

再一中国发明专利CN201310476632提出一种通过在工件的上侧和下侧分别施加高能脉冲激光进行打孔的方法。但是，由于必须通过两个高精度运动平台来使两个激光头和所需打孔位置三者精确地保持在同一直线上，所以对上、下两个激光器的同轴度、运动平台的精度等存在极高的要求。

综上所述，现有的方法虽然在一定程度上改善了孔的锥度，但存在装置复杂、操作困难等缺点，因此，如何通过更加简单、便捷的装置和方法来进行激光打孔，并对孔的锥度加以改善成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用激光光束打孔的装置和方法，该装置和方法能够更加简单、便捷地实现激光打孔，且有利于制作出锥度较小的孔。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用激光光束打孔的装置，包括：

具有内腔的容器，所述容器的下端开设有出光孔；

位于所述容器内、与所述容器可转动连接的激光输出整形器，所述激光输出整形器包括激光器阵列和凸透镜阵列，所述激光器阵列包括沿直线排列、并以所述激光输出整形器的旋转轴线为对称中心的偶数个激光器，所述激光器用于竖直向下发射相互平行的光束，所述凸透镜阵列包括与所述激光器一一对应设置的凸透镜，各个所述凸透镜的焦距相同，且各个所述凸透镜沿竖直方向位置可调，所述激光输出整形器还包括控制器，所述控制器用于分别调整各个所述激光器的光束强度；

位于所述容器外的电机，所述电机的输出轴连接有带轮，所述带轮上的传动带与所述激光输出整形器套接，用于驱动所述激光输出整形器转动。

优选地，在上述装置中，所述激光输出整形器的两端通过轴承与所述容器连接，所述激光输出整形器的中部具有用于套接所述传动带的环形轮体。

优选地，在上述装置中，所述容器的两端对应所述轴承处安装有端盖，且位于下端的所述端盖具有与所述出光孔对应的开口。

优选地，在上述装置中，所述激光输出整形器还包括用于沿竖直方向调整所述凸透镜的微校尺。

一种利用激光光束打孔的方法，所述方法由上述装置实现，具体包括：

所述控制器调整各个所述激光器的光束强度为同一强度；

调整各个所述凸透镜的高度，使由所述凸透镜阵列的一端至另一端的方向上，所述凸透镜的高度以同一梯度逐渐上升或以同一梯度逐渐下降；

所述电机通过所述传动带驱动所述激光输出整形器转动。

一种利用激光光束打孔的方法，所述方法由上述装置实现，具体包括：

所述控制器调整各个所述激光器的光束强度，使由所述激光器阵列的一端至另一端的方向上，所述激光器的光束强度以同一梯度逐渐增大或以同一梯度逐渐减小；

调整各个所述凸透镜的高度为同一高度；

所述电机通过所述传动带驱动所述激光输出整形器转动。

根据上述技术方案可知，利用本发明提供的装置进行激光打孔时，只需通过控制器设置各个激光器的光束强度，同时配合调整各个凸透镜的高度即可，操作简便易行，而且，本发明提供的方法使得工件加工表面的光强在孔直径方向上以梯形分布(按照同一梯度变化)，并结合激光输出整形器的旋转运动，最终使得组成光束的能量分布接近于平顶光束，从而对所加工孔的锥度加以改善，形成锥度较小的孔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种利用激光光束打孔的装置的示意图；

图2是图1的剖面图；

图3是一种利用图1的装置进行打孔的方法的原理示意图；

图4是另一种利用图1的装置进行打孔的方法的原理示意图；

图5是加工过程中任一瞬时工件加工表面的光斑示意图；

图6是图5所示光斑对应的光强示意图；

图7是加工过程中图5所示的光斑对应的能量分布示意图。

图中标记为：

10、上端盖；20、容器；30、驱动系统；40、下端盖；50、激光输出整形器；11、第一盖体；12、第一螺栓；21、第一套筒；22、第一轴承；23、内腔；24、第二轴承；25、第二套筒；26、第一电刷；27、第二电刷；31、环形轮体；32、带轮；33、电机；34、传动带；41、第二盖体；42、第二螺栓；151和251、激光器；152和252、凸透镜。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种利用激光光束打孔的装置的示意图，图2是图1的剖面图。

本发明实施例提供的一种利用激光光束打孔的装置包括容器20、激光输出整形器50和驱动系统30。

其中，容器20具有内腔23，容器20的下端开设有出光孔(图中未标记)；

激光输出整形器50位于容器20内，并与容器20可转动连接，激光输出整形器50包括激光器阵列和凸透镜阵列，激光器阵列包括沿直线排列、并以激光输出整形器50的旋转轴线为对称中心的偶数个激光器，激光器用于竖直向下发射相互平行的光束，凸透镜阵列包括与激光器一一对应设置的凸透镜，各个凸透镜的焦距相同，且各个凸透镜沿竖直方向位置可调，激光输出整形器50还包括控制器，控制器用于分别调整各个激光器的光束强度；

驱动系统30包括电机33、带轮32和传动带34，电机33位于容器20外，电机33的输出轴连接有带轮32，带轮32上的传动带34与激光输出整形器50套接，用于驱动激光输出整形器50转动。

参见图2，激光输出整形器50的中部具有用于套接传动带34的环形轮体31，激光输出整形器50的上端安装有第一轴承22，下端安装有第二轴承24，第一盖体11由第一螺栓12固定安装在容器20的上端，第一盖体11与第一轴承22之间设置有第一套筒21，第二盖体41由第二螺栓42固定安装在容器20的下端，第二盖体41与第二轴承24之间设置有第二套筒25，第二盖体41具有与出光孔对应的开口(图中未标记)，第一电刷26和第二电刷27用于向激光输出整形器50供电。

为了便于对凸透镜的高度进行调整，激光输出整形器50还可以包括用于沿竖直方向调整凸透镜的微校尺(图中未示出)。

本发明还提供了利用本发明的装置进行打孔的方法，参见图3～图7，图3是一种利用图1的装置进行打孔的方法的原理示意图；图4是另一种利用图1的装置进行打孔的方法的原理示意图；图5是加工过程中任一瞬时工件加工表面的光斑示意图；图6是图5所示光斑对应的光强示意图；图7是加工过程中图5所示的光斑对应的能量分布示意图。

参见图3所示的原理示意图，该方法具体包括：

控制器调整各个激光器151的光束强度，使由激光器阵列的一端至另一端的方向上，激光器151的光束强度以同一梯度逐渐增大或以同一梯度逐渐减小；

调整各个凸透镜152的高度为同一高度；

电机33通过传动带34驱动激光输出整形器50转动(见图2)。

由于凸透镜阵列的各个凸透镜152的焦距相同且位于同一高度，而激光器阵列的各个激光器151的光束强度不同且以同一梯度变化，所以工件加工表面形成了如图6所示的光强分布图(瞬时状态)，由于偶数个激光器151以激光输出整形器50的旋转轴线为对称中心排布，所以每旋转一周，工件加工表面的同一位置受到组成光束的两次照射，分别是光强较小的一束与光强较大的一束，这样，在旋转过程中，所加工孔的任意直径上形成如图7所示的能量分布，由图7可见，各光斑对应的组成光束的能量分布接近于平顶光束，因此，能够对所加工孔的锥度加以改善，形成锥度较小的孔。

参见图4所示的原理示意图，另一种利用激光光束打孔的方法具体包括：

控制器调整各个激光器251的光束强度为同一强度；

调整各个凸透镜252的高度，使由凸透镜阵列的一端至另一端的方向上，凸透镜252的高度以同一梯度逐渐上升或以同一梯度逐渐下降；

电机33通过传动带34驱动激光输出整形器50转动(见图2)。

该方法可以得到与之前介绍的方法相同的加工效果，其原理同样是在工件加工表面形成如图6所示的光强分布图(瞬时状态)，于是同样地，在旋转过程中，所加工孔的任意直径上形成如图7所示的能量分布，由图7可见，各光斑对应的组成光束的能量分布接近于平顶光束，因此，能够对所加工孔的锥度加以改善，形成锥度较小的孔。

该方法与之前介绍的方法的不同之处在于，该方法中，各个激光器的光束强度为同一强度，而各个凸透镜的高度不同。

由上文可知，利用本发明提供的装置进行激光打孔时，只需通过控制器设置各个激光器的光束强度，同时配合调整各个凸透镜的高度即可，操作简便易行，而且，本发明提供的方法使得工件加工表面的光强在孔直径方向上以梯形分布(按照同一梯度变化)，并结合激光输出整形器的旋转运动，最终使得组成光束的能量分布接近于平顶光束，从而对所加工孔的锥度加以改善，形成锥度较小的孔。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种利用激光光束打孔的装置，其特征在于，包括：

具有内腔(23)的容器(20)，所述容器(20)的下端开设有出光孔；

位于所述容器(20)内、与所述容器(20)可转动连接的激光输出整形器(50)，所述激光输出整形器(50)包括激光器阵列和凸透镜阵列，所述激光器阵列包括沿直线排列、并以所述激光输出整形器(50)的旋转轴线为对称中心的偶数个激光器，所述激光器用于竖直向下发射相互平行的光束，所述凸透镜阵列包括与所述激光器一一对应设置的凸透镜，各个所述凸透镜的焦距相同，且各个所述凸透镜沿竖直方向位置可调，所述激光输出整形器(50)还包括控制器，所述控制器用于分别调整各个所述激光器的光束强度；

位于所述容器(20)外的电机(33)，所述电机(33)的输出轴连接有带轮(32)，所述带轮(32)上的传动带(34)与所述激光输出整形器(50)套接，用于驱动所述激光输出整形器(50)转动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光输出整形器(50)的两端通过轴承与所述容器(20)连接，所述激光输出整形器(50)的中部具有用于套接所述传动带(34)的环形轮体(31)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述容器(20)的两端对应所述轴承处安装有端盖，且位于下端的所述端盖具有与所述出光孔对应的开口。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的装置，其特征在于，所述激光输出整形器(50)还包括用于沿竖直方向调整所述凸透镜的微校尺。

5.一种利用激光光束打孔的方法，其特征在于，所述方法由权利要求1～4中任意一项所述的装置实现，具体包括：

所述控制器调整各个所述激光器的光束强度为同一强度；

调整各个所述凸透镜的高度，使由所述凸透镜阵列的一端至另一端的方向上，所述凸透镜的高度以同一梯度逐渐上升或以同一梯度逐渐下降；

所述电机(33)通过所述传动带(34)驱动所述激光输出整形器(50)转动。

6.一种利用激光光束打孔的方法，其特征在于，所述方法由权利要求1～4中任意一项所述的装置实现，具体包括：

所述控制器调整各个所述激光器的光束强度，使由所述激光器阵列的一端至另一端的方向上，所述激光器的光束强度以同一梯度逐渐增大或以同一梯度逐渐减小；

调整各个所述凸透镜的高度为同一高度；

所述电机(33)通过所述传动带(34)驱动所述激光输出整形器(50)转动。