CN107520534A - 用于切割脆性材料的激光切割头 - Google Patents

Abstract

一种用于切割脆性材料的激光切割头包括切割头壳体、激光组件、调控机构以及切割嘴。切割嘴与切割头壳体连接。激光组件包括用于产生热激光的热激光器和用于产生非热激光的非热激光器。激光组件通过调控机构设置于切割头壳体的空腔内。切割嘴设置有激光孔。调控机构调节控制热激光器和非热激光器，使得激光组件产生的热激光和非热激光经由激光孔出射并依先热激光后非热激光或先所述非热激光后热激光的顺序照射在待切割脆性材料的切割路径上。激光切割头设置有热激光器和冷激光器，且可在一次切割步骤中同时利用热激光和冷激光对脆性材料进行处理。热激光和非热激光在时间和空间上组合，减小切割过程中对材料的破坏，提高切割的效率和工件的精密度。

Description

用于切割脆性材料的激光切割头

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种用于切割脆性材料的激光切割头。

背景技术

脆性材料如玻璃、蓝宝石以及陶瓷的加工难度高，尤其是，制作高精度的2D或3D工件。如何在生产效率、精度以及质量之间的平衡是一大挑战。

在传统机械加工中，高精度和高生产效率是一对矛盾，为了提高生产效率和加工质量，制造商正在越来越多地依靠激光系统。然而，用激光系统处理脆性材料同样存在一定的困难。目前，已经有一些基于激光系统进行高精度和高效率的脆性材料的报道，但是，还没有一种低成本、精度高、可控性好的脆性材料加工方法。

在加工制造过程中，脆性材料容易产生微裂缝和碎片。如果未适当控制裂缝或者碎片，切割时生成的裂缝会引起脆性材料不受控制的折断。为了克服这些问题，传统的激光处理常常放慢速度，导致生产效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于切割脆性材料的激光切割头，通过灵活组合热激光器和非热激光器的工作方式实现高效率切割脆性材料，同时获得质量较高的零件。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种用于切割脆性材料的激光切割头，包括切割头壳体、激光组件、调控机构以及切割嘴。切割嘴与切割头壳体连接。激光组件包括用于产生热激光的热激光器和用于产生非激光的非热激光器。切割头壳体内设置有空腔，激光组件通过调节结构设置于空腔内。切割嘴设置有激光孔。调控机构调节热激光器和非热激光器，使得激光组件产生的热激光和非热激光经由激光孔出射并依先热激光后非热激光或先非热激光后热激光的顺序照射在待切割脆性材料的切割路径上。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种用于切割脆性材料的激光切割头，包括用于产生热激光的热激光器和用于产生非激光的非热激光器。该激光切割头可以在同一切割步骤中，通过将热激光和非热激光在空间和时间上组合进而对脆性材料进行切割，从而可以在切割过程中减少脆性材料被破坏的情况，并且可大大提高生产效率、提高制备的零件的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的用于切割脆性材料的激光切割头的结构示意图；

图2示出了本发明实施例1提供的用于切割脆性材料的激光切割头的第一种工作方式中热激光和非热激光的相对位置示意图；

图3示出了本发明实施例1提供的用于切割脆性材料的激光切割头的第二种工作方式中热激光和非热激光的相对位置示意图；

图4为本发明实施例2提供的用于切割脆性材料的激光切割头的结构示意图。

附图标记说明：

切割头壳体101；非热激光器102；热激光器103；柱形端104；

锥形端105；切割嘴106；空腔107；调控机构110；

激光组件111；激光孔112；焦距调节装置201；辅助气组件204；

脆性材料基板205；切割运动方向206；热激光207；

非热激光208；切割路径209。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要注意的是，以下实施例中，非热激光的参数如下：

脉冲宽度：≤30ps；

能量/脉冲：≥1μJ；

重复频率：>10KHz；

波长：红外(IR)、绿色(green)或紫外(UV)，绿色(green)即在可见光区、且波长为500～560nm；

脉冲模式：单脉冲或突发模式。

热激光的参数为如下：

脉冲宽度：>1ns或连续波(纳秒ns或皮秒ps)，脉冲宽度是指激光的功率维持在一定值所持续的时间，连续波即指激光以连续的方式输出，其在特定功率的持续时间达到纳秒(10^-9秒)或皮秒(10^-12秒)；

激光功率：≥5W；

波长：红外(IR)。

以下实施例中，脆性材料包括陶瓷、晶体材料(如蓝宝石)以及玻璃(如硅酸盐玻璃)等。

实施例1

参阅图1，本实施例提供了一种用于切割脆性材料的激光切割头100，包括切割头壳体101、切割嘴106、激光组件111、以及调控机构110。

切割头壳体101为柱形结构，切割头壳体101内设置有空腔107。切割嘴106具有柱形端104和锥形端105，柱形端104连接于切割头壳体101与锥形端105之间。切割嘴106的锥形端105具有用于激光出射的激光孔112。激光孔112可以设置为圆形孔或者矩形孔等形状，以适宜激光出射为宜。

激光组件111通过调控机构110设置于空腔107内。激光组件111包括用于产生热激光的热激光器103和用于产生非热激光的非热激光器102，且激光组件111产生的热激光和非热激光是经由激光孔112出射。激光器为市售设备，例如，二氧化碳激光器、半导体激光器等等，本实施例中不对其作详述。本实施例中，激光孔112的形状和尺寸是以允许热激光器103和非热激光器102发射出的激光光束同时通过为宜。

调控机构110用于调节非热激光器102和热激光器103的相对位置，以便根据具体的加工方式，调节切割操作。例如沿工件加工的路径(激光切割头100的移动方向)，将激光组件111调整到非热激光器102在前，热激光器103在后，或者将激光组件111调整到热激光器103在前，非热激光器102在后。本实施例中，调控机构110例如是带动非热激光器102和热激光器103相对旋转以改变非热激光器102和热激光器103相对位置的转动调控机构。在其他实施例中，调控机构110例如也可以是带动非热激光器102和热激光器103相对滑动以改变非热激光器102和热激光器103相对位置的滑动调控机构。因此，对于调控机构110的具体结构并不进行限定。

用于切割脆性材料的激光切割头100的工作方式如下：

第一工作方式：

请参阅图2，通过调控机构110调节非热激光器102和热激光器103的相对位置，将激光组件111调整到非热激光器102在前，热激光器103在后。非热激光器102和热激光器103同时工作，产生相应的热激光207和非热激光208，并同时穿过激光孔112。在激光切割头100的切割运动方向206上，按照先非热激光208、后热激光207的顺序依次照射到脆性材料基板205的切割路径209上，以实现切割脆性材料基板205。非热激光208处理待切割的脆性材料基板205后，使脆性材料基板205的切割路径209部位产生密度梯度的变化，然后再通过热激光207作用于切割路径209，从而将脆性材料基板205折断，避免脆性材料被损坏。

第二工作方式：

请参阅图3，通过调控机构110调节非热激光器102和热激光器103的相对位置，将激光组件111调整到热激光器103在前，非热激光器103在后。非热激光器102和热激光器103同时工作，产生相应的热激光207和非热激光208，并同时穿过激光孔112。在切割头100的切割运动方向206上，按照先热激光207、后非热激光208的顺序依次照射到脆性材料基板205的切割路径209上，以实现切割脆性材料基板205。通过热激光207的对待切割的脆性材料加热，使其能带间的带隙变窄，然后再通过非热激光208对脆性材料切割，从而避免切割过程中脆性材料的不可控破坏或者切割路径和外观变形的问题。

第三工作方式：

较佳地，调控机构110还设置有用于控制热激光器103和非热激光器102的工作与否的电控组件(图中未绘出)。具体地，电控组件可以使非热激光器102、热激光器103同时工作，或者，还可使热激光器103工作时，非热激光器102暂停工作，同样地，当非热激光器102工作时，热激光器103暂停工作，即，电控组件可以实现热激光器103和非热激光器102其中任一个进行工作，而另一个暂停工作。

相应地，热激光器103和非热激光器102具有第三种工作方式：非热激光器102和热激光器103不同时工作，按时间先后依次产生对应的热激光和热激光，顺序照射在待切割脆性材料的切割路径上。

首先，由电控组件使热激光器103工作、非热激光器102暂停工作，热激光器103产生的热激光由激光孔112出射并照射在脆性材料表面的切割路径上。其次，调控机构110调整非热激光器102和热激光器103的位置，并由电控组件使热激光器103暂停工作、非热激光器102工作，非热激光器102产生的非热激光由激光孔112出射并照射在脆性材料表面的切割路径上。依次重复上述过程，在激光切割头100的运动方向上，按照先热激光、后非热激光且重叠地照射到待切割脆性材料的切割路径上，热激光和非热激光作用于脆性材料的切割路径上的同一区域以实现切割脆性材料。需要注意的是，在上述过程中，热激光照射到脆性材料表面的光斑位置与非热激光照射到脆性材料表面的光斑的空间位置重合。

上述第三种工作方式以热激光器103先工作，非热激光器102后工作的方式进行切割操作为例进行说明，显然，也可以采用以非热激光器102先工作，热激光器103后工作的方式进行切割操作。

由于用于切割脆性材料的激光切割头100设置有热激光器103和非热激光器102，通过选择适当的热激光器103和非热激光器102的工作顺序、工作时间，可以实现不产生破坏的情况下对脆性材料进行高速切割，从而可以提高切割效率，同时获得高质量的零件。

实施例2

本实施例提供的用于切割脆性材料的激光切割头200与实施例1提供的用于切割脆性材料的激光切割头100大致相同，二者的主要区别在于：

请参阅图4，用于切割脆性材料的激光切割头200还包括焦距调节装置201以及用于提供辅助切割气体的辅助气组件204。焦距调节装置201、辅助气组件204均设置于切割头壳体101的空腔107内。激光组件111产生的热激光和非热激光通过焦距调节装置201调节后经由激光孔112出射。在本发明的其他实施例中，切割嘴106的锥形端105可以设置两个激光孔112，以便激光组件111产生的热激光和非热激光通过焦距调节装置201调节后分别经由两个激光孔112出射。辅助气组件204提供的辅助切割气体也是经由激光孔112导出。

焦距调节装置201用于对热激光和非热激光的光束进行调节，以便改变热激光的光斑和非热激光的光斑的大小。通过改变光斑的大小调节激光对脆性材料的切割尺度，以便根据需要制备不同形状和尺寸的零件。

由于在切割脆性材料的过程中会产生脆性材料废屑，而废屑会对顺利切割材料造成影响，因此，可利用辅助气组件204对脆性材料表面产生的废屑进行清理，以保持脆性材料表面的清洁。切割脆性材料时，由外部供气装置向辅助气组件204提供辅助切割气，然后将辅助切割气体由切割嘴106的激光孔112喷出至待切割的脆性材料表面。

由激光孔112出射的辅助切割气可在激光的光斑周围形成环形的气幕，从而将切割过程中产生的脆性材料碎屑吹散，避免对切割操作的干扰。辅助气体可以采用压缩空气，较佳地，压缩空气的压强为100PSI(磅/平方英尺)。

在激光切割头200的工作过程中，可根据具体脆性材料的性质对待切割的脆性材料的温度进行控制，以便使切割操作顺利进行，提高切割操作的工作效率，同时提高制作的零件的质量。辅助切割气体则可用以对脆性材料的切割部位进行加热或冷却，改善脆性材料的切割位置的性质，如密度梯度、带隙等等，以便进行切割操作，从而获得较好的切割效果。

由于热激光和非热激光具有热效应，因而对切割嘴106也具有加热作用。切割嘴106受到激光的热冲击后，可能导致切割嘴106的破坏，不利于切割嘴106的正常运行。

为了对切割嘴106的温度进行控制，避免其温度过高，用于切割脆性材料的激光切割头200还包括用于冷却切割嘴106的冷却机构(图中未绘出)。

通过冷却机构对切割嘴106进行降温，避免切割嘴106的温度出现大幅度的波动，防止切割嘴106被损坏，从而起到提高切割嘴106使用寿命的作用。此外，还可利用温度传感器监测切割嘴106的温度，以便准确、及时获得切割嘴106的温度信息。当切割嘴106的温度超出预设值时，利用冷却机构对其进行降温，使降温调节操作更加高效。较佳地，切割嘴106内可设置陶瓷隔热内衬，避免其直接暴露于激光的照射下，从而防止放生温度过高的问题。

在利用激光切割脆性材料的过程中，脆性材料的切割部位的表面状态时刻在发生变化。根据脆性材料的切割部位的状态，选择适合的热激光器103和非热激光器102的激光光束在空间和时间组合，以及辅助气组件204的吹气工作方式，更有利于提高切割效率和切割所得零件的质量。

为了便于对激光组件111和辅助气组件204进行控制，用于切割脆性材料的激光切割头200还包括用于确定待加工工件与切割嘴106之间相对位置的视觉系统。

视觉系统包括相互匹配的摄像装置和图像分析终端，摄像装置可采用高分辨率CCD摄影机，摄影机的像素可根据需要选择，例如500万像素、视野范围为1mm×1mm。

高分辨率CCD摄影机可由外部机械手臂进行控制，并且高分辨率CCD摄影机的取景口朝向切割嘴106和待加工工件的相邻处。高分辨率CCD摄像机通过数据电缆与图像分析终端电连接，高分辨率CCD摄像机获得图像后，将图像传递给图像分析终端，并由图像分析终端内的图像分析软件对图像进行分析。

图像分析软件由图像中获得激光切割头200和待加工工件之间的相对位置，或脆性材料的表面状态，并根据预设的脆性材料的特性对切割嘴106和/或待加工工件的移动速度、路径进行调节，还可修正待加工工件和激光光束的对齐错配问题，以便进行准确切割。

为了便于调节切割嘴106和待加工工件之间的相对位置，用于切割脆性材料的激光切割头200还包括控制系统和定位调整组件，控制系统、定位调整组件以及视觉系统配合以实现更加精确和高效的调节。

切割作业时，通过视觉系统获得待加工工件与切割嘴106之间相对位置信息和脆性材料的表面状态，然后控制系统根据具体的切割方式或者脆性材料的切割部位的表面状态，得到激光切割头200的运动参数，然后通过定位调整组件调节切割嘴106的移动，如运动速度和路径，从而实现更加自动化的调节效果，减少人工操作的干预，提高切割操作的效率和精度。

需要注意的是，本发明提供的用于切割脆性材料的激光切割头适用于对脆性材料进行简单的线性切割，如直线或者大曲线加工操作，也适用于从脆性材料基板中，切割出2D或3D工件。此外，该用于切割脆性材料的激光切割头还可用于在大尺寸基板(如电视机)加工过程中制作高速线性切口。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，包括切割头壳体、激光组件、调控机构以及切割嘴；

所述切割嘴与所述切割头壳体连接；

所述激光组件包括用于产生热激光的热激光器和用于产生非热激光的非热激光器，所述切割头壳体内设置有空腔，所述激光组件通过所述调控机构设置于所述空腔内；

所述切割嘴设置有激光孔，通过所述调控机构调节控制所述热激光器和所述非热激光器，使得所述激光组件产生的所述热激光和所述非热激光经由所述激光孔出射并依先所述热激光后所述非热激光或先所述非热激光后所述热激光的顺序照射在待切割脆性材料的切割路径上。

2.根据权利要求1所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述用于切割脆性材料的激光切割头还包括：焦距调节装置，所述焦距调节装置设置于所述空腔内，所述激光组件产生的所述热激光和所述非热激光通过所述焦距调节装置调节后经由所述激光孔出射。

3.根据权利要求2所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述激光孔的个数为两个，所述热激光和所述非热激光通过所述焦距调节装置调节后分别经由两个所述激光孔出射。

4.根据权利要求1至3之一所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述用于切割脆性材料的激光切割头还包括：用于提供辅助切割气体的辅助气组件，所述辅助气组件设置于所述空腔内，所述辅助气组件提供的所述辅助切割气体经由所述激光孔导出。

5.根据权利要求4所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述辅助切割气体包括压缩空气。

6.根据权利要求5所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述压缩空气的压强大于100PSI。

7.根据权利要求1所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述用于切割脆性材料的激光切割头还包括：用于确定待加工工件与所述切割嘴之间相对位置的视觉系统，所述视觉系统包括CCD摄像机。

8.根据权利要求7所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述用于切割脆性材料的激光切割头还包括：用于调节所述待加工工件与所述切割嘴之间相对位置的定位调整组件。

9.根据权利要求1所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述用于切割脆性材料的激光切割头还包括：用于冷却所述切割嘴的冷却机构。

10.根据权利要求1所述的用于切割脆性材料的激光切割头，其特征在于，所述脆性材料包括玻璃、蓝宝石以及陶瓷。