CN107186346A - 激光打孔系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光打孔领域，公开了一种激光打孔系统及方法。该激光打孔系统包括沿光路依次设置的多路分光装置、环形光束转换装置和振镜，所述多路分光装置产生的各光路上分别设置有所述环形光束转换装置；所述多路分光装置包括用于分出多路光束的多棱锥镜和用于将多路光束折转平行的三棱镜，所述多棱锥镜和三棱镜沿光路依次设置；所述环形光束转换装置包括用于将光束转换成环形光束的锥镜、用于将环形光束折转平行的平凹圆锥镜、用于聚集光束的聚焦镜和用于调直光束的第二调直镜；所述锥镜、平凹圆锥镜、聚焦镜和第二调直镜沿光路依次设置。采用该激光打孔系统，既能够节约能源，又能使打孔效率呈几何倍数提高的激光打孔系统及方法。

Description

激光打孔系统及方法
技术领域
本发明涉及激光打孔领域，尤其是一种激光打孔系统及方法。
背景技术
新能源电池行业迅速发展，导致对有密集孔的铜箔及铝箔做电极的需求量巨大。如图1所示，在电池制造中，需要在铜箔及铝箔上加工数量众多的小孔，现在主要的加工方式为激光打孔。
激光打孔是达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一，激光打孔的主要过程如图2所示。
现有激光打孔主要分为：
1、激光割孔：加工表面形状由振镜控制激光光束X、Y轨迹及时间，沿所需孔直径边沿切割完成，这种方式加工效率太低，最高才能达到几十个/秒。
2、激光爆孔：以多脉冲的方式将工件所需直径的激光光斑照射到工件固定的一点上。这种方式采用普通激光器时效率为几千个/秒。
激光打孔存在的主要限制：
1、只能一次脉冲打一个孔；
2、受振镜的最高工作速度限制，每秒最高只能做到几千个孔。
3、受激光器脉冲功率的限制，每秒最高只能做到几千个孔。
4、较大孔径时中间激光能源的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种既能够节约能源，又能使打孔效率呈几何倍数提高的激光打孔系统及方法。
本发明公开的激光打孔系统，包括沿光路依次设置的多路分光装置、环形光束转换装置和振镜，所述多路分光装置产生的各光路上分别设置有所述环形光束转换装置；
所述多路分光装置包括用于分出多路光束的多棱锥镜和用于将多路光束折转平行的三棱镜，所述多棱锥分光镜和三棱镜沿光路依次设置；
所述环形光束转换装置包括用于将光束转换成环形光束的锥镜、用于将环形光束折转平行的平凹圆锥镜、用于聚集光束的聚焦镜和用于调直光束的第二调直镜；所述锥镜、平凹圆锥镜、聚焦镜和第二调直镜沿光路依次设置。
优选地，所述多路分光装置之前还设置有光束扩束装置，所述光束扩束装置包括依次沿光路设置的扩散镜和第一调直镜。
优选地，在工件打孔作业位置的下方设置有低压仓，所述低压仓连接有真空泵。
优选地，所述多棱锥镜具有4～12个分光面。
本发明公开的采用所述的激光打孔系统的打孔方法，包括如下步骤：
a、将工件输送至预设的打孔作业位置；
b、接入打孔激光，激光依次通过多棱锥镜形成至少两路实心激光束，各路激光束分别通过三棱镜转换成平行的多路实心激光束，各路实心激光束通过锥镜转换成扩散的环形光束，扩散的环形光束通过平凹圆锥镜转换成平行的环形光束，再通过聚焦镜聚焦、第二调直镜调直，调整成直的圆筒形的光束；
c、圆筒形的光束通过振镜偏转光束的角度到达工件上实现打孔。
优选地，通过分别调整各光路上的三棱镜、环形光束转换装置使各路光束形成矩阵阵列。
本发明的有益效果是：该激光打孔系统中设置有多路分光装置和环形光束转换装置，其中多路分光装置可以将一束光束分成多个光束，多个光束一次性加工出多个孔，从而极大地提高了打孔效率；环形光束转换装置可以将光束转换成环形，使激光爆孔时中间浪费的激光能量有效利用起来，提高激光能源的利用率。同时可以有效的将中间浪费的激光能量聚集到环形光束上，弥补环形光束上的能量不足。如加工0.3mm的孔，通过聚焦成0.005mm的环形光束，能量利用率经实测提高15倍。
附图说明
图1电极打孔的示意图；
图2是现有技术的激光打孔的过程图；
图3是本发明的激光打孔系统的示意图；
图4是激光打孔系统光束阵列的调整示意图；
图5是激光束四孔排列的调整示意图；
图6是激光束六孔排列的调整示意图；
图7是激光束八孔排列的调整示意图；
图8是激光束九孔排列的调整示意图；
图9是激光光斑爆孔的示意图；
图10是本发明的激光光环爆孔的示意图。
附图标记：光束扩束装置10，扩散镜101，第一调直镜102，多路分光装置20，多棱锥镜201，三棱镜202，环形光束转换装置30，锥镜301，平凹圆锥镜302，聚焦镜303，第二调直镜304，振镜4，工件5，低压仓6，真空泵7，孔径Φ，孔距D，宽度B。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
如图3所示，本发明公开的激光打孔系统，包括沿光路依次设置的多路分光装置20、环形光束转换装置30和振镜4，所述多路分光装置20产生的各光路上分别设置有所述环形光束转换装置30；
所述多路分光装置20包括用于分出多路光束的多棱锥镜201和用于将多路光束折转平行的三棱镜202，所述多棱锥镜201和三棱镜202沿光路依次设置；
所述环形光束转换装置30包括用于将光束转换成环形光束的锥镜301、用于将环形光束折转平行的平凹圆锥镜302、用于聚集光束的聚焦镜303和用于调直光束的第二调直镜304；所述锥镜301、平凹圆锥镜302、聚焦镜303和第二调直镜304沿光路依次设置。
采用该激光打孔系统的打孔方法，包括如下步骤：
a、将工件5输送至预设的打孔作业位置；
b、接入打孔激光，激光依次通过多棱锥镜201形成至少两路实心激光束，各路激光束分别通过三棱镜202转换成平行的多路实心激光束，各路实心激光束通过锥镜301转换成扩散的环形光束，扩散的环形光束通过平凹圆锥镜302转换成平行的环形光束，再通过聚焦镜303聚焦、第二调直镜304调直，调整成直的圆筒形的光束；
c、圆筒形的光束通过振镜4偏转光束的角度到达工件5上实现打孔。
如图5～图8所示，这种打孔方式将激光分成多个光束，再将各个光束的光斑均转换成环形光束，多个环形光束同时加工多个孔，使得孔加工效率呈几何倍的提升。
对于能量利用率而言，如图9和10所示，传统的激光爆孔时，激光光斑加工0.3mm的孔，整个光斑照射到所需加工孔的整个面上，除边缘部分被有效利用外，其余绝大部分能量都被无效浪费。而采用本发明的激光打孔系统，激光环形光束加工0.3mm的孔，形成宽度B为0.005mm的环形光束照射到所需加工的面，在孔的边缘形成高能量的激光光束照射，同样光强下，能量利用率提高15倍，有效提高了激光能量的利用。
为了便于多路分光装置20的分光，所述多路分光装置20之前还设置有光束扩束装置10，所述光束扩束装置10包括依次沿光路设置的扩散镜101和第一调直镜102。将激光扩散调直后，可以增大激光的截面积，截面积更大则更有利于多路分光装置20的激光分束。
在打孔时，部分汽化和液化的材料以及切割后的多余材料若不能及时排出，累积起来会影响打孔作业，为解决这一问题，在工件5打孔作业位置的下方设置有低压仓6，所述低压仓6连接有真空泵7，如此可以将打孔过程中的汽化材料及液相排除，并使光环切割后的多余材料排除。
多路分光装置20所分出的光束数量取决于多棱锥镜201的分光面的数量，分光面数量越多则分出的光束越多，但是经试验，4～12路分光最为合适，对应地，所述多棱锥镜201具有4～12个分光面。
一般而言，电极打孔通常为矩阵阵列，但是通过多路分光装置20分出的光束多为环形阵列，为了使激光打孔系统产生矩阵阵列的光束，可以通过分别调整各光路上的三棱镜202、环形光束转换装置30使各路光束形成矩阵阵列。如图4所示，通过调整单个光路上的三棱镜202、环形光束转换装置30的X和Y的位置，可以实现对打孔光束的排列的调整。如图5～图8所示，分别为四孔排列、六孔排列、八孔排列以及9孔排列的调整方式。现有振镜4的通光孔径主要有Φ10mm～Φ30mm；工件5打孔孔径Φ为0.3mm，孔距D为0.5mm。通过将实心光束扩束装置10、环形光束转换装置30移动到离振镜4较远的位置，使形成的矩阵式环形光束通过振镜4的通光孔，作用到工件5上打出符合要求间距、直径的孔。

Claims (6)

1.激光打孔系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的多路分光装置(20)、环形光束转换装置(30)和振镜(4)，所述多路分光装置(20)产生的各光路上分别设置有所述环形光束转换装置(30)；
所述多路分光装置(20)包括用于分出多路光束的多棱锥镜(201)和用于将多路光束折转平行的三棱镜(202)，所述多棱锥镜和三棱镜(202)沿光路依次设置；
所述环形光束转换装置(30)包括用于将光束转换成环形光束的锥镜(301)、用于将环形光束折转平行的平凹圆锥镜(302)、用于聚集光束的聚焦镜(303)和用于调直光束的第二调直镜(304)；所述锥镜(301)、平凹圆锥镜(302)、聚焦镜(303)和第二调直镜(304)沿光路依次设置。
2.如权利要求1所述的激光打孔系统，其特征在于：所述多路分光装置(20)之前还设置有光束扩束装置(10)，所述光束扩束装置(10)包括依次沿光路设置的扩散镜(101)和第一调直镜(102)。
3.如权利要求1所述的激光打孔系统，其特征在于：在工件打孔作业位置的下方设置有低压仓(6)，所述低压仓(6)连接有真空泵(7)。
4.如权利要求1所述的激光打孔系统，其特征在于：所述多棱锥镜(201)具有4～12个分光面。
5.采用如权利要求1-4中任一权利要求所述的激光打孔系统的打孔方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、将工件输送至预设的打孔作业位置；
b、接入打孔激光，激光依次通过多棱锥镜(201)形成至少两路实心激光束，各路激光束分别通过三棱镜(202)转换成平行的多路实心激光束，各路实心激光束通过锥镜(301)转换成扩散的环形光束，扩散的环形光束通过平凹圆锥镜(302)转换成平行的环形光束，再通过聚焦镜(303)聚焦、第二调直镜(304)调直，调整成直的圆筒形的光束；
c、圆筒形的光束通过振镜(4)偏转光束的角度到达工件上实现打孔。
6.如权利要求5所述的打孔方法，其特征在于，通过分别调整各光路上的环形光束转换装置(30)使各路光束形成矩阵阵列。
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