CN108581182A - 激光加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加工装置及方法，激光加工装置包括激光器、调整机构、聚焦镜及控制组件，激光器能够发射激光光束，调整机构用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致。聚焦镜用于聚焦经过调整机构的激光光束，控制组件与激光器及调整机构连接，控制组件能控制激光器及调整机构并为激光器及调整机构提供电源。上述的激光加工装置，调整机构具有调整激光光束偏振方向的功能，从而在不同的激光加工方向上，调整机构都能使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致，进而能够保证在激光加工时各方向的加工效果一致，提高了加工精度。

Description

激光加工装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工装置及方法。

背景技术

在激光打标、切割等激光加工工艺中，经常需要沿多个方向对同一个产品进行加工，但是激光器发射出的激光光源一般都是线偏振光，线偏振光即指在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动的光。经过线偏振光加工过后的产品，容易出现各方向上的加工效果不均匀的现象，具体可能表现为一个方向上的线槽较深，而另一个方向的线槽较浅，这种现象严重影响了产品的加工精度。

发明内容

基于此，有必要针对经过传统激光加工工艺加工出的产品加工精度较低的问题，提供一种能够提高加工精度的激光加工装置及方法。

一种激光加工装置，包括：

激光器，能够发射激光光束；

调整机构，用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致；

聚焦镜，用于聚焦经过所述调整机构的激光光束；以及

控制组件，与所述激光器及所述调整机构连接，所述控制组件能控制所述激光器及所述调整机构并为所述激光器及所述调整机构提供电源。

上述的激光加工装置，调整机构具有调整激光光束偏振方向的功能，从而在不同的激光加工方向上，调整机构都能使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致，进而能够保证在激光加工时各方向的加工效果一致，提高了加工精度。

在其中一个实施例中，所述调整机构包括旋转电机及半波片，所述旋转电机与所述半波片连接，并能带动所述半波片旋转。

在其中一个实施例中，所述调整机构还包括驱动器，所述驱动器与所述旋转电机及所述控制组件连接，所述控制组件能根据激光光束的加工方向确定所述驱动器的脉冲数，所述驱动器能驱动所述旋转电机旋转与脉冲数对应的角度。

在其中一个实施例中，还包括激光扫描器，所述激光扫描器设置在所述调整机构与所述聚焦镜之间，所述激光扫描器包括X振镜及Y振镜，所述X振镜及所述Y振镜用于偏转激光光束。

在其中一个实施例中，所述控制组件包括工控机及电气控制部，所述工控机与所述电气控制部连接，所述工控机能够对所述电气控制部进行检测和控制，所述电气控制部能控制所述激光器及所述调整机构并为所述激光器及所述调整机构提供电源。

在其中一个实施例中，所述激光器为红外光纤激光器，所述激光器的脉冲波长为1055nm-1075nm，平均功率为80W。

一种采用上述的任一种激光加工装置的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将调整机构设置在初始位置；

设置激光加工参数，确定激光光束的加工方向；以及

控制组件根据激光光束的加工方向控制调整机构，以使调整机构将激光光束的偏振方向调整至与激光光束的加工方向相一致。

上述的激光加工方法，通过调整机构使得激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致，不仅能保证在各方向上的加工效果的均匀性，还能提高激光加工效率。

在其中一个实施例中，调整机构在初始位置时，半波片的晶体光轴与激光光束的偏振方向之间的夹角为0°。

在其中一个实施例中，控制组件根据激光光束的加工方向控制调整机构，以使调整机构将激光光束的偏振方向调整至与激光光束的加工方向相一致的步骤，具体包括：

电气控制部计算出激光光束在激光加工坐标系内的角度变化值a；

电气控制部将角度变化值a转化为脉冲数传递给驱动器；

驱动器驱动旋转电机旋转角度(1/2)a。

在其中一个实施例中，a＝arctan(dy/dx)，其中，dy和dx分别是激光光束的加工位置在激光加工坐标系内的Y方向和X方向的变化值。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1一实施方式的激光加工装置的结构示意图；

图2为图1所示的激光加工装置中局部结构的模块框图；

图3为图1所示的激光加工装置的一实施例的光路图；

图4为图1所示的激光加工装置的激光加工方法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1至图3，一实施方式的激光加工装置包括激光器100、调整机构200、激光扫描器300、聚焦镜400及控制组件500，激光器100用于发射激光光束，激光光束依次经过调整机构200与激光扫描器300后，经聚焦镜400聚焦为落在激光加工坐标系内的激光光斑。

激光器100为红外光纤激光器，发射出的激光光束为线偏振光，激光器100的脉冲波长为1055nm-1075nm，平均功率为80W。当然，在其他实施方式中，激光器100还可以为其他种类，比如二氧化碳激光器等，激光器100的脉冲波长及功率都可以根据实际加工产品确定。

调整机构200用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致。具体地，调整机构200包括旋转电机(图未示)、驱动器220及半波片230，驱动器220与旋转电机及控制组件500均连接，控制组件500能根据激光光束的加工方向确定驱动器220的脉冲数，驱动器220是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它能驱动旋转电机旋转与脉冲数对应的角度。驱动器220可以外置于旋转电机，也可以内置于旋转电机，还可以省略掉，由控制组件500直接控制旋转电机旋转。

旋转电机与半波片230连接，从而旋转电机能够带动半波片230旋转相同的角度。

半波片230是一种具有一定厚度的双折射晶体，能够对线偏振光的偏振方向进行旋转，由半波片230透射出来的光仍然是线偏振光，不过，假如入射时激光光束的振动面与晶体主截面之间的夹角为θ，则从半波片230透射出来的激光光束的振动面相对于入射时的激光光束的振动面旋转了2θ。这里所说的晶体主截面指的是晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面，当θ角为锐角或等于0°时，入射时激光光束的振动面与晶体主截面之间的夹角等于入射时激光光束的振动面与晶体光轴之间的夹角。值得一提的是，晶体光轴不同于几何光学中的光轴，晶体光轴是各向异性晶体内的一个方向，光束在这个方向传播时不会发生双折射。

因此，在本实施方式中，通过旋转半波片230，便能改变激光光束的偏振方向。除了这种方式，在其他实施方式中，还可以借助两个平面镜及旋转其中一个平面镜的转折器来改变激光光束的偏振方向。又或者，采用四分之一半波片和相位延迟镜将线偏振光转换为圆偏振光。

激光扫描器300用于偏转激光光束，以实现在激光器100的位置固定不动的前提下，激光光束沿某一方向的扫描式加工。

在本实施方式中，激光扫描器300包括X振镜及Y振镜，X振镜主要由X扫描电机312和X反射镜片组成314，X扫描电机312能带动X反射镜片314偏转，从而X反射镜片314就能改变入射在它上面的激光光束的反射方向，Y振镜主要由Y扫描电机322和Y反射镜片324组成，Y扫描电机322能带动Y反射镜片324偏转，从而Y反射镜片324就能改变入射在它上面的激光光束的反射方向。X振镜与Y振镜协同作用，从而能控制激光光束在激光加工坐标系内的偏转，简单来说，也就能改变由聚焦镜400聚焦形成的激光光斑在激光加工坐标系内的坐标。

可以理解，在其他实施方式中，还可以通过改变激光器100的位置来实现激光光束的扫描式加工，比如通过运动平台来带动激光器100移动。

控制组件500与激光器100及调整机构200连接，控制组件500能控制激光器100及调整机构200并为激光器100及调整机构200提供电源。

控制组件500包括工控机510及电气控制部520，工控机510与电气控制部520连接，工控机510能够对电气控制部520进行检测和控制，电气控制部520能控制激光器100及调整机构200并为激光器100及调整机构200提供电源。在其他实施方式中，工控机510与电气控制部520能集成在一起。

在线偏振光加工过程中往往存在一个问题：金属材料对激光的吸收率与激光的偏振有很大的影响。当激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向一致时，金属材料对激光的吸收率最高，当激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向垂直时，金属材料对激光的吸收率最低。在产品上则表现为，当激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向一致时，加工出来的线槽较深，而当激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向垂直时，加工出来的线槽较浅。

而对于本实施方式的激光加工装置而言，调整机构200具有调整激光光束偏振方向的功能，从而在不同的激光加工方向上，调整机构200都能使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致，进而能够保证在激光加工时各方向的加工效果一致，提高了加工精度。而且，在加工相同深度的线槽的情况下，与传统的激光光束的偏振方向不同于激光加工方向的装置相比，本实施方式的激光加工装置所需能量更小，加工效率更高。

如图4所示，本实施方式还提供了一种采用上述激光加工装置的加工方法，具体包括以下步骤：

步骤S100，将调整机构200设置在初始位置；为方便计算，在本实施方式中，调整机构200的初始位置即为半波片230的晶体光轴与激光光束的偏振方向之间的夹角为0°的位置，也即半波片230的晶体光轴落在激光光束的振动片面内。这样，后续在改变激光光束的偏振方向时，激光光束的振动面旋转的角度就等于从半波片230透射出来的激光光束的振动面与半波片230的晶体主截面之间的夹角。

步骤S200，设置激光加工参数，确定激光光束的加工方向；激光加工参数包括激光脉冲数、激光输出功率、激光扫描器300的扫描速度、扫描路径等等，激光加工参数主要根据待加工产品的材料确定。可以理解，该步骤可以与步骤S100互换。

步骤S300，控制组件500根据激光光束的加工方向控制调整机构200，以使调整机构200将激光光束的偏振方向调整至与激光光束的加工方向相一致。

具体地，电气控制部520先计算出激光光束在激光加工坐标系内的角度变化值a，再将角度变化值a转化为脉冲数传递给驱动器220，脉冲数对应的角度为(1/2)a，所以，驱动器220会驱动旋转电机旋转角度(1/2)a，这样，与旋转电机连接的半波片230便会旋转(1/2)a，从而从半波片230透射出的激光光束的偏振方向便会相对于入射时的激光光束的偏振方向旋转角度a。在本实施方式中，a＝arctan(dy/dx)，其中，dy和dx分别是激光光束的加工位置在激光加工坐标系内的Y方向和X方向的变化值。

在图3中，激光加工坐标系中的X轴与Y轴相垂直，假设激光光束的原始偏振方向为竖直方向，现要求激光加工方向平行于Y轴方向，则就要求激光光束的偏振方向相对于原始方向旋转90°，根据半波片230的工作原理，将半波片230的晶体主截面232旋转45°即可。于是，入射在产品表面的激光光束的振动平面便与Y轴方向一致，这种情况下的激光加工效率最高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，其特征在于，包括：

激光器，能够发射激光光束；

调整机构，用于调整激光光束的偏振方向，以使激光光束的偏振方向与激光光束的加工方向相一致；

聚焦镜，用于聚焦经过所述调整机构的激光光束；以及

控制组件，与所述激光器及所述调整机构连接，所述控制组件能控制所述激光器及所述调整机构并为所述激光器及所述调整机构提供电源。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述调整机构包括旋转电机及半波片，所述旋转电机与所述半波片连接，并能带动所述半波片旋转。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述调整机构还包括驱动器，所述驱动器与所述旋转电机及所述控制组件连接，所述控制组件能根据激光光束的加工方向确定所述驱动器的脉冲数，所述驱动器能驱动所述旋转电机旋转与脉冲数对应的角度。

4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括激光扫描器，所述激光扫描器设置在所述调整机构与所述聚焦镜之间，所述激光扫描器包括X振镜及Y振镜，所述X振镜及所述Y振镜用于偏转激光光束。

5.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述控制组件包括工控机及电气控制部，所述工控机与所述电气控制部连接，所述工控机能够对所述电气控制部进行检测和控制，所述电气控制部能控制所述激光器及所述调整机构并为所述激光器及所述调整机构提供电源。

6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光器为红外光纤激光器，所述激光器的脉冲波长为1055nm-1075nm，平均功率为80W。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的激光加工装置的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将调整机构设置在初始位置；

设置激光加工参数，确定激光光束的加工方向；以及

控制组件根据激光光束的加工方向控制调整机构，以使调整机构将激光光束的偏振方向调整至与激光光束的加工方向相一致。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，调整机构在初始位置时，半波片的晶体光轴与激光光束的偏振方向之间的夹角为0°。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，控制组件根据激光光束的加工方向控制调整机构，以使调整机构将激光光束的偏振方向调整至与激光光束的加工方向相一致的步骤，具体包括：

电气控制部计算出激光光束在激光加工坐标系内的角度变化值a；

电气控制部将角度变化值a转化为脉冲数传递给驱动器；

驱动器驱动旋转电机旋转角度(1/2)a。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，a＝arctan(dy/dx)，其中，dy和dx分别是激光光束的加工位置在激光加工坐标系内的Y方向和X方向的变化值。