CN111375902B - 基于扫描振镜的激光加工小孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于扫描振镜的激光加工小孔装置。包括：第一45°反射镜、二维扫描振镜单元、聚焦物镜、同轴辅助吹气机构和基座；所述二维扫描振镜单元、所述聚焦物镜、所述同轴辅助吹气机构由上至下分体安装于所述基座上，且所述聚焦物镜和所述同轴辅助吹气机构在上下方向上自由移动；所述二维扫描振镜单元与所述第一45°反射镜用于调节所述激光的输出方向从垂直入射于所述聚焦物镜的中心；所述同轴辅助吹气机构包括喷嘴座和设置在所述喷嘴座下端的喷嘴，所述喷嘴在水平方向自由移动。本发明装置通过激光偏焦位置的有效调整提高了较大深度小孔加工的效率，小孔轴向精度更高，且有利于加工装置前端同轴吹气喷嘴尺寸的小型化。

Description

基于扫描振镜的激光加工小孔装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种基于扫描振镜的激光加工小孔装置。

背景技术

由于皮秒、飞秒脉冲宽度的超快激光加工产生的热影响更小，加工小孔质量明显好于毫秒长脉冲激光加工，因此，已越来越多地应用于较大深度小孔加工。

为了提高加工较大深度小孔的质量及效率，相关技术中出现了填充加工的方法，附图1所示为采用多个同心圆填充加工小孔的示例，而且在加工过程中同轴辅助吹气，例如，附图2为皮秒激光采用该方式成功地应用于燃油喷嘴约1mm左右深喷油小孔的加工的示意图。

目前，皮秒、飞秒脉冲宽度的超快激光加工较大深度小孔，国内外大多采用组合楔形镜实时调整间距和相对角度并整体同步高速旋转的方式实现激光倾斜聚焦入射并填充加工，但该装置机械、光学机构复杂，体积、重量大，长时间运转的可靠性、稳定性不高。

而且超快激光由于脉冲能量低，在加工更大深度小孔时，例如叶片上的气膜孔，孔最大深度一般超过4mm，个别的甚至达到8mm，由于激光聚焦特性，导致加工效率急剧下降，例如，加工2mm深孔需要30s，加工4mm深孔超过2min，6mm以上深孔甚至无法穿透。试验结果表明，将激光聚焦于较大深度小孔中间区域可以明显提高小能量脉冲激光穿透能力，并提高效率。但在加工叶片小孔时，由于孔深不一致，采用该方法提高加工效率，需要在线随时调整焦点位置，而且为了保证辅助吹气效果，需要保持喷嘴与叶片表面间距尽量一致。

鉴于此，如何提供一种对不同深度小孔都具有适用性的激光加工小孔装置是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种基于扫描振镜的激光加工小孔装置，用于解决前述基于扫描振镜激光同轴辅助吹气加工较大深度小孔时，加工效率低、调焦不方便及制孔精度低的问题。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种基于扫描振镜的激光加工小孔装置，包括：第一45°反射镜、二维扫描振镜单元、聚焦物镜、同轴辅助吹气机构和基座；所述二维扫描振镜单元、所述聚焦物镜、所述同轴辅助吹气机构由上至下分体安装于所述基座上，且所述聚焦物镜和所述同轴辅助吹气机构在上下方向上自由移动；

所述二维扫描振镜单元与所述第一45°反射镜安装于同一底板，所述第一45°反射镜设置在激光源与所述二维扫描振镜单元之间的激光束传输路径上，并与所述二维扫描振镜单元用于改变所述激光束的输出路径，使得所述激光束水平穿过所述二维扫描振镜单元后垂直照射在所述聚焦物镜的上表面中心位置；

所述同轴辅助吹气机构包括喷嘴座和设置在所述喷嘴座下端的喷嘴，所述喷嘴在水平方向自由移动。

进一步地，所述激光加工小孔装置所述激光加工小孔装置还包括：第二45°反射镜、第三45°反射镜、第四45°反射镜、第五45°反射镜、透镜、摄像头、照明光源；所述照明光源、所述第二45°反射镜、所述第三45°反射镜和所述第四45°反射镜依次设置在照明光源输出的照明光的传输路径上，所述第四45°反射镜、所述透镜、所述第五45°反射镜和所述摄像头设置在所述照明光照射在小孔上反射的反射光的传输路径上。

进一步地，所述照明光源输出后依次经过所述第四45°反射镜、所述第三45°反射镜、所述第二45°反射镜反射后垂直透射穿过所述第一45°反射镜、所述二维扫描振镜单元、所述聚焦物镜和所述喷嘴后照射在小孔加工位置处。

进一步地，所述照明光照射在小孔上反射的反射光依次透射穿过所述喷嘴、所述聚焦物镜、所述二维扫描振镜单元后经由所述第一45°反射镜、所述第二45°反射镜、所述第三45°反射镜反射后，再经由所述第四45°反射镜、所述透镜透射后；然后由所述第五45°反射镜反射后被所述摄像头所接收。

进一步地，所述透镜在所述四45°反射镜与所述五45°反射镜之间的光路传输路径的前后位置上可调。

进一步地，所述激光束的激光脉冲宽度为飞秒、皮秒或纳秒中的一种。

(3)有益效果

本发明实施例所示的激光加工小孔装置采用普通聚焦物镜取代了扫描振镜通常配置的大尺寸F-θ镜，同时优化了各个部件之间的连接结构，减小了整套装置光路安装的精度要求及调节环节，易于实现激光束聚焦前垂直入射于聚焦物镜中心；且激光聚焦后可以与垂直方向平行，该措施有利于提高加工小孔角向精度，设计更小尺寸的锥形喷嘴，从而加工的适用性更强，例如有利于加工更大倾角孔，避免喷嘴与工件碰撞干涉等。

发明实施例针对较大深度小孔加工，方便保证激光聚焦后从喷嘴中心输出，利用喷嘴的位置可移动实现加工不同深度小孔偏焦量的调整且保证喷嘴与工件间距不变。同时，可利用摄像头对加工位置进行观察，有利于对加工的动态监视，从而实时掌握加工效果。

除此之外，本发明实施例的激光加工小孔装置用于叶片上不同深度小孔加工，有效地提高了加工效率与加工性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的附图。

图1是现有技术中激光填充加工方法示意图。

图2是皮秒激光采用激光填充加工方法加工约1mm深喷油小孔的形貌示意图。

图3是根据本发明实施例的激光加工小孔装置的俯视示意图。

图4是根据本发明实施例的激光加工小孔装置的主视示意图。

图中：第一45°反射镜1、二维扫描振镜单元2、第二45°反射镜3、第三45°反射镜4、第四45°反射镜5、照明光源6、透镜7、第五45°反射镜8、摄像头9、聚焦物镜10、喷嘴座11、喷嘴12、工件13。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图3-附图4并结合实施例来详细说明本申请。

参阅附图3和附图4所示，根据本发明实施例的一种基于扫描振镜的激光加工小孔装置，至少包括：激光源(图中未示出)、基座(图中未示出)、第一45°反射镜1、二维扫描振镜单元2、聚焦物镜10、喷嘴12、摄像头9和照明光源6。其中，激光源用于产生加工小孔用的激光束(图中黑色粗箭头所示)；二维扫描振镜单元2设置在所述激光束的传输路径上，用于将所述激光源输出的激光束形成加工小孔的路径；激光束穿过所述二维扫描振镜单元2后垂直照射在聚焦物镜10上，聚焦物镜10用于聚焦激光束；喷嘴12设置在所述聚焦物镜10位于所述二维扫描振镜单元2的另一侧，用于输出激光束；摄像头9用于接收并显示小孔处的景象；照明光源6的输出光线照射在所述小孔的加工位置处，用于为所述摄像头9提供反射光。

第一45°反射镜1设置在所述激光源与所述扫描振镜2之间的激光束传输路径上，用于改变所述激光束的输出路径，使得所述激光束穿过所述扫描振镜2后垂直照射在所述聚焦物镜10的上表面中心位置。

在本发明实施例中，首先根据小孔加工的要求，激光源输出的激光束经由二维扫描振镜单元2动态扫描以后形成不同形状及尺寸路径的激光光斑垂直照射在聚焦物镜10上，由聚焦物镜10对激光束进行聚焦，以提高激光束的能量密度，聚焦物镜10聚焦以后的激光束经由喷嘴12照射在工件13上完成对工件13的小孔加工；本发明实施例所示装置减小了整套工艺装置光路安装的精度要求及调节环节，易于实现激光束聚焦前垂直入射于聚焦物镜10中心。除此之外，本发明实施例设置有照明光源6，照明光源6发出的照明光照射在工件13上小孔位置处产生的反射光由摄像头9接收，由此，可以有针对性地通过摄像头9的监控调整激光源输出激光束的参数和调节扫描振镜2的扫描参数，从而更可以提高小孔加工效果。

具体地，喷嘴12可以设计为锥形结构。

具体的，在本发明实施例中，激光源产生的激光束可以竖直向下输出，参阅附图4所示，竖直方向为机床的Z向方向。当激光束竖直向下输出时，可以使得激光束竖直向下射入工件13上。当然，激光源产生的激光束也可以以其他方向输出，其不应构成对本申请的限制。本实施例中以Z向为竖直向下方向进行说明。

具体的，二维扫描振镜单元2为二维的扫描振镜，二维扫描振镜单元2包括平面X和平面Y方向两组扫描电机，用于实现输出激光在平面区域范围内的动态扫描形成不同形状及尺寸的光斑。二维扫描振镜单元2具备振镜加工程序原点(即加工小孔的圆心)可以调整、重置功能。如前所述，当激光源输出的激光束在竖直向下方向输出时，二维扫描振镜单元2可以在水平面(也就是前述的XY平面)内实现动态扫描，首先二维扫描振镜确定加工程序原点，然后在XY平面内动态扫描形成不同形状及尺寸的光斑路径，由此可以从喷嘴12中输出不同形状和尺寸的激光束照射在工件13的待加工位置处完成加工操作。

进一步地，根据本发明实施例中的激光束的脉冲宽度可以为飞秒、皮秒或纳秒中的一种。这是因为飞秒、皮秒或纳秒脉冲宽度的超快激光加工产生的热影响更小，加工小孔质量明显好于毫秒长脉冲激光加工，已越来越多地应用于较大深度小孔加工。

进一步地，参阅附图4所示，根据本发明的又一实施例中，激光加工小孔装置还包括喷嘴座11，所述喷嘴座11与所述喷嘴12在激光束传输路径上与所述聚焦物镜10可移动；所述喷嘴12与喷嘴座相应与所述聚焦物镜10在水平相对位置可移动。

首先，喷嘴座11在激光束传输路径上可移动地设置在所述聚焦物镜10与所述喷嘴12之间可以确保喷嘴12与喷嘴座11沿Z向位置整体可调节；再结合喷嘴12可移动地设置在与所述聚焦物镜10的平行平面(也就是XY平面)上，可以实现喷嘴12在XYZ三维空间内移动，从而可以根据经聚焦物镜10聚焦以后的激光束的焦点位置来调整喷嘴12位置，使得激光束始终经由喷嘴12的中心输出，激光束的焦点始终处于小孔的加工位置区域，有利于提高激光束加工小孔的功率密度，提高加工效率和加工质量。除此之外，喷嘴12的调节，可以确保反射光能从其内射出，被摄像头9准确接收。

进一步地，根据本发明实施例中的喷嘴12上设有辅助吹气孔，辅助吹气孔与保护气源连接，用于在小孔加工过程中辅助吹气。激光加工小孔过程中会通过高温在工件13上加工出小孔，因此，如果不采取保护气体保护的方式，会容易造成工件13在高温下发生氧化，从而产生氧化层影响加工质量，所以辅助吹气孔的设置可以在小孔加工过程中降低工件13被氧化的可能，有利于提高小孔加工质量。

参阅附图3和附图4所示，根据本发明的又一实施例中的激光加工小孔装置还包括：第二45°反射镜3、第三45°反射镜4、第四45°反射镜5、第五45°反射镜8和透镜9；所述第二45°反射镜3、所述第三45°反射镜4和所述第四45°反射镜5依次设置在照明光源6输出的照明光的传输路径上(图中白色粗箭头为照明光)，所述第四45°反射镜5、所述透镜6、所述第五45°反射镜8和所述摄像头9设置在所述照明光照射在小孔上反射的反射光的传输路径上(图中白色细箭头为反射光)。

进一步地，照明光照射在小孔上反射的反射光依次透射穿过所述喷嘴12、所述聚焦物镜10、所述扫描振镜2后经由所述第一45°反射镜1、所述第二45°反射镜3、所述第三45°反射镜4反射后，再经由所述第四45°反射镜5、所述透镜7透射后；然后由所述第五45°反射镜8反射后被所述摄像头9所接收。

本发明实施例结构简单，通过第二45°反射镜3、第三45°反射镜4、第四45°反射镜5等的设置可以保证照明光能准确照射到小孔位置处，同时利用第二45°反射镜3、第三45°反射镜4、第四45°反射镜5等与透镜7一起组成望远镜系统，使工件13上小孔的加工区域清晰成像于摄像头9，有利于对小孔加工的实时监控、在线观察、判断加工小孔的状态。

进一步地，根据本发明实施例的激光加工小孔装置，所述透镜7在所述四45°反射镜5与所述五45°反射镜8之间的光路传输路径的前后位置上可调。透镜7位置可调可以进一步确保反射光能聚焦在摄像头9上，进一步提高反射光成像的清晰度。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (2)

1.基于扫描振镜的激光加工小孔装置，其特征在于，包括：第一45°反射镜、二维扫描振镜单元、聚焦物镜、同轴辅助吹气机构和基座；

所述二维扫描振镜单元、所述聚焦物镜、所述同轴辅助吹气机构由上至下分体安装于所述基座上，且所述聚焦物镜和所述同轴辅助吹气机构在上下方向上自由移动；

所述二维扫描振镜单元与所述第一45°反射镜安装于同一底板，所述第一45°反射镜设置在激光源与所述二维扫描振镜单元之间的激光束传输路径上，并与所述二维扫描振镜单元用于改变所述激光束的输出路径，使得所述激光束水平穿过所述二维扫描振镜单元后垂直照射在所述聚焦物镜的上表面中心位置；

所述同轴辅助吹气机构包括喷嘴座和设置在所述喷嘴座下端的喷嘴，所述喷嘴在水平方向自由移动；所述激光加工小孔装置还包括：第二45°反射镜、第三45°反射镜、第四45°反射镜、第五45°反射镜、透镜、摄像头、照明光源；所述照明光源、所述第二45°反射镜、所述第三45°反射镜和所述第四45°反射镜依次设置在照明光源输出的照明光的传输路径上，所述第四45°反射镜、所述透镜、所述第五45°反射镜和所述摄像头设置在所述照明光照射在小孔上反射的反射光的传输路径上；所述照明光源输出后依次经过所述第四45°反射镜、所述第三45°反射镜、所述第二45°反射镜反射后垂直透射穿过所述第一45°反射镜、所述二维扫描振镜单元、所述聚焦物镜和所述喷嘴后照射在小孔加工位置处；所述照明光照射在小孔上反射的反射光依次透射穿过所述喷嘴、所述聚焦物镜、所述二维扫描振镜单元后经由所述第一45°反射镜、所述第二45°反射镜、所述第三45°反射镜反射后，再经由所述第四45°反射镜、所述透镜透射后；然后由所述第五45°反射镜反射后被所述摄像头所接收；所述透镜在所述第四45°反射镜与所述第五45°反射镜之间的光路传输路径的前后位置上可调。

2.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光加工小孔装置，其特征在于，所述激光束的激光脉冲宽度为飞秒、皮秒或纳秒中的一种。

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