CN107363409A - 一种激光抛光机以及使用该激光抛光机的抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及一种激光抛光机，包括第一、二组激光光源系统，合光棱镜系统，以及激光扫描系统，激光扫描系统安装在第一组激光光源系统和第二组激光光源系统共有端的一端，合光棱镜系统安装在第一、二组激光光源系统之间；合光棱镜系统包括第一、二组反射镜以及用于合光的棱镜；激光扫描系统包括激光扫描振镜，场镜；第一组反射镜，第二组反射镜以及合光镜棱镜位于同一水平线上。工作时，利用合光棱镜系统将第一组激光光源系统和第二激光光源系统所产生激光合束成一条激光光束，在激光扫描振镜和场镜的共同作用下，聚焦在工件表面进行反复激光扫描抛光处理，便于加工出高平整度，高光洁度的金属工件表面。

Description

一种激光抛光机以及使用该激光抛光机的抛光方法
【技术领域】
本发明涉及一种用于工件表面抛光方面的激光抛光机以及使用该激光机的抛光方法。
【背景技术】
常用的激光抛光是运用金属再熔解的方法进行，有用连续波激光进行大颗粒激光抛光(Macro Laser Polishing)，也有用脉冲激光进行微细激光抛光(Micro LaserPolishing)。激光抛光方法虽然能够达到较好的平整度，但是如连续激光抛光容易导致工件变形，光洁度差，有划痕。脉冲激光抛光方法虽然能够达到较好的光洁度。但是容易导致工件表面不充分熔解而形成小洞，不能平整较粗的表面。
【发明内容】
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够加工高平整度，高光洁度的工件表面抛光处理的激光抛光机。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种操作简单方便的激光抛光机的抛光方法。
为此解决上述技术问题，本发明中的技术方案所采用一种激光抛光机，其包括第一组激光光源系统，第二组激光光源系统，合光棱镜系统，以及激光扫描系统，所述激光扫描系统安装在第一组激光光源系统和第二组激光光源系统的共有端，所述的合光棱镜系统安装在第一组激光光源系统与第二组激光光源系统之间；所述合光棱镜系统包括安装在第一组激光光源系统一端的第一组反射镜，安装在第二组激光光源系统一端的第二组反射镜以及安装在第一组反射镜与第二组反射镜之间的用于合光的棱镜；所述激光扫描系统包括安装在棱镜的合光路径一端的激光扫描振镜，安装在激光扫描振镜下方的场镜；所述第一组反射镜，第二组反射镜以及棱镜位于同一水平线上；工件放置于场镜上表面上。
依据主要技术特征进一步限定，所述用于合光的棱镜为刀锋直角棱镜反射镜，棱镜其中两个表面垂直相交；垂直相交的两个表面的交线为对激光光束进行合束的刀锋线。
依据主要技术特征进一步限定，所述第一组激光光源系统产生高能连续波激光，高能连续激光波长为1050-1080nm，光斑质量m2>2，平均能量大于500W，激光扫描速度大于2000mm/s,可使工件表面以下超过10um的深度熔化，同时保持熔化的时间小于1毫秒。
依据主要技术特征进一步限定，所述第二组激光光源系统所产生的激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为1050-1080nm，光斑质量m2>1.3，平均能量大于10W，峰值能量大于500W，频率大于100KHz；可使工件表面以下超过0.5um深度熔化，熔化的时间小于100微秒。
一种激光抛光机的抛光方法：第一组激光光源系统产生的高能连续波激光，通过第一组反射镜反射到棱镜上；第二组激光光源系统产生的脉冲激光，通过第二组反射镜反射到棱镜上；再由棱镜上的刀锋线合成一条激光光束聚集在激光扫描振镜上，该激光扫描振镜在场镜的聚焦作用下将激光光束全部聚焦在工件上，对工件表面进行激光抛光处理。
依据主要技术特征进一步限定，所述棱镜上垂直相交的两个表面上镀有可反射波长为800nm-1080nm的激光的光镜镀膜，设有光镜镀膜的两个表面相交后的交线即为对激光光束进行合束的刀锋线。
依据主要技术特征进一步限定，所述场镜的焦距大于300mm，聚焦点的激光能量相对于聚焦点以上5mm处的激光能量，能量相差小于20％，聚焦在工件表面的光斑直径大于0.5mm。
本发明技术方案有益技术效果为：因所述激光扫描系统安装在第一组激光光源系统和第二组激光光源系统的共有端，所述的合光棱镜系统安装在第一组激光光源系统与第二组激光光源系统之间；所述合光棱镜系统包括安装在第一组激光光源系统一端的第一组反射镜，安装在第二组激光光源系统一端的第二组反射镜以及安装在第一组反射镜与第二组反射镜之间的用于合光的棱镜；，安装在用于合光的棱镜的合光路径一端的激光扫描振镜，安装在激光扫描振镜下面的场镜；所述第一组反射镜，第二组反射镜以及棱镜位于同一水平线上；在场镜上面的设有工件。工作时，利用合光棱镜系统将第一组激光光源系统和第二激光光源系统合束成一条激光光束，在激光扫描振镜和场镜的共同作用下，聚焦在工件表面进行反复激光扫描抛光处理，便于加工出高平整度，高光洁度的金属工件表面。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本发明中激光抛光机的立体图；
图2为本发明中激光抛光机的立体分解图；
图3为本发明中激光光路的示意图；
图4为本发明中刀锋直角棱镜反射的示意图；
图5为本发明中高能连续波激光形成熔化层的示意图；
图6为本发明中脉冲波激光形成熔化层的示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1至图6所示，下面结合实施例说明一种激光抛光机，其包括第一组激光光源系统100，第二组激光光源系统200，合光棱镜系统300，以及激光扫描系统400。所述激光扫描系统400安装在第一组激光光源系统100和第二组激光光源系统200的共有端，所述的合光棱镜系统300安装在第一组激光光源系统100与第二组激光光源系统200之间。所述合光棱镜系统300包括安装在第一组激光光源系统100一端的第一组反射镜301，安装在第二组激光光源系统200一端的第二组反射镜302以及安装在第一组反射镜301与第二组反射镜302之间的用于合光的棱镜303。所述激光扫描系统400包括安装在棱镜303的合光路径一端的激光扫描振镜402，安装在激光扫描振镜402下面的场镜403；所述第一组反射镜301，第二组反射镜302以及棱镜303位于同一水平线上；放置于安装场镜403上面的工件。
所述用于合光的棱镜303为刀锋直角棱镜反射镜，英文为：Knife-Edge Right-Angle Prism，棱镜其中两个表面垂直相交；垂直相交的两个表面的交线为对激光光束进行合束的刀锋线。
所述第一组激光光源系统100产生高能连续波激光101，高能连续激光波长为1050-1080nm，光斑质量m2>2，平均能量大于500W，激光扫描速度大于2000mm/s,可使工件表面以下超过10um的深度熔化，同时保持熔化的时间小于1毫秒。所述第二组激光光源系统200所产生的激光为脉冲激光201，脉冲激光201的波长为1050-1080nm，光斑质量m2>1.3，平均能量大于10W，峰值能量大于500W，频率大于100KHz；可使工件表面以下超过0.5um深度熔化，熔化的时间小于100微秒。
一种激光抛光机的抛光方法为：第一组激光光源系统100产生的高能连续波激光101，通过第一组反射镜301反射到棱镜上；第二组激光光源系统200产生的脉冲激光201，通过第二组反射镜反射到棱镜303上；再由棱镜303上的刀锋线合成一条激光光束聚集在激光扫描振镜402上，该激光扫描振镜402在场镜403的聚焦作用下将激光光束全部聚焦在工件上，对工件表面进行激光抛光处理。
所述棱镜303上垂直相交的两个表面上镀有可反射波长为800nm-1080nm的激光的光镜镀膜，设有光镜镀膜的两个表面相交后的交线即为对激光光束进行合束的刀锋线。所述场镜403的焦距大于300mm，聚焦点的激光能量相对于聚焦点以上5mm处的激光能量，能量相差小于20％，聚焦在工件表面的光斑直径大于0.5mm。
高能连续波激光101通过高速的激光扫描振镜402高速划过工件，速度大于>1000mm/s，令工件产生熔化层501，距离工件表面的深度大于10um，宽度大于0.5mm，在表面熔解线径大于0.5mm,熔化时间小于1ms。由于高能连续波激光101是多模激光，光斑质量m2>2,激光光斑能量分布比较分散，同时，聚焦点在工件表面以下深度大于5mm，产生广阔的热效应层502，犹如“热床”；热床的温度大于500℃，围绕在激光路径范围大于5mm。在高能连续波激光101加热下，表面瞬间熔化，然后表面冷却固化，但下面仍为熔解状态，大面积的热效应层502，因而形成抚平而无痕的表面。同时为脉冲激光201提供了“热床”。由于连续波激光101和脉冲激光201合束在一起，由高能连续波激光101产生的深度熔解和大范围的高温表面，当高能连续波激光101所产生的表面刚冷却，同时脉冲激光201将此表面再次熔解。热床的高温表面，增加激光吸收率，脉冲激光201只需要很低的能量，平均能量大于5W，峰值能量大于100W，频率大于100KHz；熔化的范围直径小于0.5mm，深度大于0.5um,熔化时间小于100usec。
脉冲激光201熔化表面深度大于0.5um，产生再熔化层503。由于表面熔化时间极短，小于<100usec，且接近熔化层，液态的表面瞬间扩散并瞬间固化形成高光洁度，Ra<3um，没有痕迹的镜面。因此，是利用两种不同特性的激光相互配合方式实现对金属工件表面进行反复激光扫描抛光处理，加工形成高光洁度表面，Ra<3um，完成高光洁度的激光镜面抛光过程。
在进行金属激光抛光，特别是有关不锈钢，碳钢激光抛光时，钢的热传导率较低小于100W/m·K，激光热能集中在抛光的路径范围，无法扩散到四周，这导致激光经过时留有痕迹。当使用连续波激光加工时，可以令工件表面深度加热，熔化比较深的表层；当使用脉冲激光加工时，进行较浅的表层加工，保持工件的形状不变，令金属表面呈现光泽。本发明将两束连续波激光和脉冲激光合在一起，互补各自不足。合成二组不同特性的激光，达到无痕迹、激光镜面抛光的效果。
综上所述，因所述激光扫描系统400安装在第一组激光光源系统100和第二组激光光源系统200的共有端，所述的合光棱镜系统300安装在第一组激光光源系统100与第二组激光光源系统200之间。所述合光棱镜系统300包括安装在第一组激光光源系统100一端的第一组反射镜301，安装在第二组激光光源系统200一端的第二组反射镜302以及安装在第一组反射镜301与第二组反射镜302之间的用于合光的棱镜303。所述激光扫描系统400包括安装在棱镜303的合光路径一端的激光扫描振镜402，安装在激光扫描振镜402下面的场镜403；所述第一组反射镜301，第二组反射镜302以及棱镜303位于同一水平线上；安装在场镜403上面的工件。工作时，利用合光棱镜系统300将第一组激光光源系统100和第二激光光源系统200所产生激光合束成一条激光光束，在激光扫描振镜402和场镜403的共同作用下，聚焦在工件表面进行反复激光扫描抛光处理，便于加工出高平整度，高光洁度的金属工件表面。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光抛光机，其包括第一组激光光源系统，第二组激光光源系统，合光棱镜系统，以及激光扫描系统，其特征在于：所述激光扫描系统安装在第一组激光光源系统和第二组激光光源系统的共有端，所述的合光棱镜系统安装在第一组激光光源系统与第二组激光光源系统之间；所述合光棱镜系统包括安装在第一组激光光源系统一端的第一组反射镜，安装在第二组激光光源系统一端的第二组反射镜以及安装在第一组反射镜与第二组反射镜之间的用于合光的棱镜；所述激光扫描系统包括安装在棱镜的合光路径一端的激光扫描振镜，安装在激光扫描振镜下方的场镜；所述第一组反射镜，第二组反射镜以及棱镜位于同一水平线上；工件放置于场镜上表面上。
2.如权利要求1所述的一种激光抛光机，其特征在于，所述用于合光的棱镜为刀锋直角棱镜反射镜，棱镜其中两个表面垂直相交；垂直相交的两个表面的交线为对激光光束进行合束的刀锋线。
3.如权利要求1所述的一种激光抛光机，其特征在于：所述第一组激光光源系统产生高能连续波激光，高能连续激光波长为1050-1080nm，光斑质量m2>2，平均能量大于500W，激光扫描速度大于2000mm/s,可使工件表面以下超过10um的深度熔化，同时保持熔化的时间小于1毫秒。
4.如权利要求1所述的一种激光抛光机，其特征在于：所述第二组激光光源系统所产生的激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为1050-1080nm，光斑质量m2>1.3，平均能量大于10W，峰值能量大于500W，频率大于100KHz；可使工件表面以下超过0.5um深度熔化，熔化的时间小于100微秒。
5.一种激光抛光机的抛光方法：第一组激光光源系统产生的高能连续波激光，通过第一组反射镜反射到棱镜上；第二组激光光源系统产生的脉冲激光，通过第二组反射镜反射到棱镜上；再由棱镜上的刀锋线合成一条激光光束聚集在激光扫描振镜上，该激光扫描振镜在场镜的聚焦作用下将激光光束全部聚焦在工件上，对工件表面进行激光抛光处理。
6.如权利要求5所述的一种激光抛光机的抛光方法，其特征在于：所述棱镜上垂直相交的两个表面上镀有可反射波长为800nm-1080nm的激光的光镜镀膜，设有光镜镀膜的两个表面相交后的交线即为对激光光束进行合束的刀锋线。
7.如权利要求1所述的一种激光抛光机的抛光方法，其特征在于：所述场镜的焦距大于300mm，聚焦点的激光能量相对于聚焦点以上5mm处的激光能量，能量相差小于20％，聚焦在工件表面的光斑直径大于0.5mm。
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