CN109604837B - 一种无锥度激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
为解决现有激光切割方式存在切缝锥度不可控、切缝粗糙度较大及品质较低的问题，本发明提供一种无锥度激光加工方法，可实现激光的无锥度切割。该无锥度激光加工方法包括以下步骤：1)对激光束进行二维整形；将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑；2)对激光束进行三维整形；将步骤1)得到的激光束整形为长焦深矩形平顶激光束；3)激光加工；利用步骤2)得到的长焦深矩形平顶激光束加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种无锥度激光加工方法，可实现激光的无锥度切割。
背景技术
激光切割广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械、仪器仪表等各种军用、民用领域的精细切割。由于其具有热影响区域小、切割无机械变形、无刀具磨损等优点，使得激光切割成为主流加工方式之一。但是激光高斯光束存在散射角、挡光等问题，会造成切缝表面上半部分切割缝宽较大、条纹整齐、细密、粗糙度小，下端表面切割缝宽较小、纹路条纹紊乱、表面不平整、粗糙度大等问题。因此，亟需发展一种零锥度、高品质激光切割方法，以满足激光精细切割的技术要求。
目前，针对激光切割锥度控制以及降低粗糙度的方法主要是针对工艺参数的改进，例如具体通过对激光功率、扫描速度、切割路径规划、焦点位置等工艺参数进行相互匹配调整或改进，从而实现切割锥度、粗糙度的改善，但是，通过工艺参数的相互调整配合的方式，对切割锥度、粗糙度改善极为有限，且由于参数需要不断的进行更迭尝试过程繁复因此效率极低。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光切割方式存在切缝锥度不可控、切缝粗糙度较大及品质较低的问题，提供一种无锥度激光加工方法，可实现激光的无锥度切割，具有锥度控制精度高、效率高的特点。
本发明的技术方案是：
一种无锥度激光加工方法，包括以下步骤：
1)对激光束进行二维整形；
将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑；
2)对激光束进行三维整形；
将步骤1)得到的激光束整形为长焦深矩形平顶激光束；
3)激光加工；
利用步骤2)得到的长焦深矩形平顶激光束加工。
进一步地，步骤1)中，利用DOE部件将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑。
进一步地，步骤1)中，利用高激光损伤阈值空间光调制器将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑。
进一步地，步骤2)中，采用平凸镜和锥形镜将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑。
进一步地，步骤2)中，采用高激光损伤阈值空间光调制器将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑。
进一步地，步骤2)中，采用DOE部件将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑。
同时，本发明还提供一种无锥度激光加工装置，包括沿光路依次设置的激光器、二位激光焦平面整形模块、激光长焦深整形模块；所述二位激光焦平面整形模块为DOE部件或高激光损伤阈值空间光调制器；所述激光长焦深整形模块为高激光损伤阈值空间光调制器、DOE部件或平凸镜和锥形镜。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明装置和方法无需对工艺参数进行改进或相互调整配合，只增加个别器件即可实现激光零锥度、低粗糙度、缝线整齐等高品质激光切割制造，具有方法简单易于实现的优点。
2.本发明方法和装置将激光束整形成为长焦深激光束，在基底材料上可以加工出无锥状的切缝；将光斑整形为匀化光斑，则在光斑范围内光能量为均等分布，降低激光在基底材料基底上打出“坑”状的情形，提高制造表面光洁度，降低其粗糙度，提高制造品质；将激光束的截面整形为矩形，光斑在叠加过程中激光的切缝则为直线，实现切割缝线整齐。
附图说明
图1为本发明激光切割方法流程图示意图；
图2为本发明实现长焦深矩形平顶激光束的结构示意图；
图3为本发明采用平凸+锥形镜实现长焦深整形的示意图；
图4为本发明长焦深激光加工示意图；
图5为激光束截面为圆形的加工切缝示意图；
图6为激光束截面为矩形的加工切缝示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种激光加工方法，首次将三维空间复合整形方法实现的长焦深矩形平顶光用以解决激光厚板切割过程中。申请人经过大量工艺试验，对激光功率、扫描速度、切割路径规划、焦点位置、聚焦光斑尺寸、焦深等相关参数进行交互式试验及检测分析，得出激光的焦深对激光切缝锥度、及粗糙度有非常好的改善作用。本发明通过三维空间复合整形方法，将激光束整形为长焦深矩形平顶光进行厚板切割，实现激光零锥度、低粗糙度、缝线整齐等高品质激光切割制造。
如图1所示，本发明无锥度激光加工方法具体包括以下步骤：
1)对激光束进行二维整形；
采用高激光损伤阈值空间光调制器将激光束的高斯光斑整形为XY二维平面的矩形匀化光斑。其原理为：利用液晶分子的旋光偏振性和双折射性，在外电场的作用下液晶分子指向会发生改变，改变量大小与外加电压有关，分子方向变化直接影响液晶材料的折射率，实现对光波的调制；即它属于一种可编程的光电型衍射光学元件，用以动态的实现所要求的输出光强分布。
或者，
采用DOE部件将高斯光斑整形为XY二维平面的矩形匀化光斑。其原理为：DOE部件为衍射光学元件，其基于光波的衍射理论，使得光线在XY空间上实现光场的重新叠加，从而达到光强的再分布即将高斯光斑整形为矩形的匀化光斑。
2)对激光束进行三维整形；
如图3所示，通过平凸镜+锥形镜的配合实现光线在空间的折转，依据几何光学理论实现长焦深整形。
或者，采用高激光损伤阈值空间光调制器实现长焦深整形模块。其原理为：通过液晶材料的折射率的调制，从而使得光波经过该元件时产生光程差发生衍射，使得光线在Z方向间上实现光场的纵向重新叠加，从而达到长焦深整形的目的。
或者，采用DOE部件实现长焦深整形模块。原理为：DOE使得光线在Z方向间上实现光场的纵向重新叠加，从而达到长焦深整形的目的。
通过以上方式的整形，可将焦深长度可从0.1mm整形为1mm；
3)激光加工；
通过第一步及第二步，实现激光三维空间能量场优化重置，获得长焦深矩形平顶激光加工光斑，利用得到的激光加工，最终实现激光无锥度高品质(粗糙度低、缝线整齐)激光切割。
同时，如图2所示，本发明还提供一种无锥度激光加工装置，包括沿光路依次设置的激光器、二位激光焦平面整形模块、激光长焦深整形模块；所述二位激光焦平面整形模块为DOE部件或高激光损伤阈值空间光调制器；所述激光长焦深整形模块为高激光损伤阈值空间光调制器、DOE部件或平凸镜和锥形镜。
如图4所示，激光焦深在极短的情况下(百微米量级)加工基底材料呈锥状，本发明将激光束整形成为长焦深激光束，则在一定厚板的基底材料上可以加工出无锥状的缝宽。
如图5、图6所示，由于激光器出射高斯光斑一般为圆形，则在切割过程中，圆形光斑的叠加会造成切缝呈锯齿状。本发明将激光束的截面整形为矩形，光斑在叠加过程中激光的切缝为直线，实现切割缝线整齐，从而提高切缝的粗糙度和品质。
激光光斑能量在二维空间上属于高斯分布，激光高斯光束的高斯光斑能量分布为从中心至边缘为高斯递减的趋势，则激光与基底材料作用时，容易打出“坑”状，从而使得材料表面粗糙度增大。本发明将光斑整形为匀化光斑，则在光斑范围内光能量为均等分布，则会降低激光在基底材料上打出“坑”状的情形，因此匀化光斑可以提高制造表面光洁度，降低其粗糙度，提高制造品质。
综上所述，本发明方法可实现激光零锥度、低粗糙度、缝线整齐等高品质激光切割制造。
Claims (4)
1.一种无锥度激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对激光束进行二维整形；
将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑；
利用DOE部件将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑；
或者，
利用高激光损伤阈值空间光调制器将激光束的高斯光斑整形为二维平面的矩形匀化光斑；
2)对激光束进行三维整形；
将步骤1)得到的激光束整形为长焦深矩形平顶激光束；
3)激光加工；
利用步骤2)得到的长焦深矩形平顶激光束加工。
2.根据权利要求1所述的无锥度激光加工方法，其特征在于：步骤2)中，采用平凸镜和锥形镜将激光束整形为长焦深矩形平顶激光束。
3.根据权利要求1所述的无锥度激光加工方法，其特征在于：步骤2)中，采用高激光损伤阈值空间光调制器将激光束整形为长焦深矩形平顶激光束。
4.根据权利要求1所述的无锥度激光加工方法，其特征在于：步骤2)中，采用DOE部件将激光束整形为长焦深矩形平顶激光束。
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