CN113182672A - 一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法及其系统，属于激光加工领域，包括发射出激光的激光器，利用准直透镜对激光束做准直配光，利用反射镜改变准直激光束的光路，利用聚焦镜组件对准直激光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点光斑落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对厚材的切割；在切割过程中，控制焦点光斑在切割轨迹上做高频振动，高频频率为1.5kHz～4kHz；通过对激光光斑的三维轨迹的动态控制，实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，从而调节厚材工件的断面热影响区能量分布，避免激光切割断面产生挂渣以及粗条纹等现象，提高断面加工质量。

Description

一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法及其系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法及其系统。

背景技术

激光加工是将工件放置在高能量密度的聚焦光束下，利用光热效应使得工件表面发生侵蚀等现象的一种加工方法。随着激光加工技术的发展，因为激光加工过程中聚焦光束具备能量密度大、高度集中等优势，激光加工在材料加工领域显得愈发重要。

但是，在激光厚材加工领域，受激光加工的功率、激光光斑能量分布以及激光光束质量影响，厚材工件在激光加工实际生产过程中，其厚材加工断面极易产生条纹和挂渣等缺陷，较大地影响了厚材工件表面加工质量；且在传统的激光切割过程中，激光的静态光斑会导致在激光光路传输方向的焦点前后呈现双曲面断面现象，使得激光加工后续处理工序繁重，生产效率低，经济效益差。在激光厚材加工领域，厚材工件加工表面的断面质量一直是激光加工的核心问题，在现有技术中，一般采用优化激光光斑能量整形光学系统的方法来提高厚材工件断面质量，但是该方法经济适用性较低，难以满足复杂多变的实际加工生产需求。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种适用范围广、经济效益高的厚材激光切割方法。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法及其系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法，包括发射出激光的激光器，利用准直透镜对激光束做准直配光，利用反射镜改变准直激光束的光路，利用聚焦镜组件对准直激光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点光斑落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对厚材的切割；

该厚材切割方法，在切割过程中，控制焦点光斑在切割轨迹上做高频振动，高频频率为1.5kHz～4kHz。

在本发明中，通过对激光光斑的三维轨迹的动态控制，实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，从而调节厚材工件的断面热影响区能量分布，避免激光切割断面产生挂渣以及粗条纹等现象，提高厚材工件断面加工质量，有效改善断面倾角，减少加工后续处理工序；调节厚材切割进给轨迹方向，提升激光切割速度。

优选的，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，利用压电元件驱动聚焦镜组件沿光轴方向振动。

优选的，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，利用电机驱动摆臂，摆臂驱动聚焦镜组件沿光轴方向往复摆动。

优选的，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，所述反射镜采用变曲率反射镜，通过控制变曲率反射镜的曲率变化，控制激光束的发散角大小发生往复变化，从而控制经过聚焦镜组件后的焦点光斑在Z轴上的振动变化。

进一步优选的，通过以下方法实现焦点光斑在X/Y轴方向的高频振动，利用电机驱动若干反射镜绕转轴方向往复摆角。

进一步优选的，至少两个反射镜被控制做往复摆角，反射镜的转动轴向相互垂直。

进一步优选的，位于反射镜的光路后方设有像差补偿镜。

进一步优选的，X/Y轴方向振动的幅度为±800μm，Z轴方向振动的幅度为±10mm。

进一步优选的，所述焦点光斑的振动轨迹为：

t＝[0,4*pi]；

x＝r*cos(t)；

y＝r*sin(t)；

z＝t*2；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，r为常数，r的取值范围为根据 X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm；

或为：

t＝[0,10*pi]；

x＝a*sin(t)+b*t*cos(t)；

y＝c*cos(t)-d*t*sin(t)；

z＝t；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，a、b、c、d为常数，各自取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm，实现最大振幅到最小振幅变化；

或为：

t＝[0,4*pi]；

x＝a*cos(t)；

y＝b*sin(t)；

z＝t*2；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，a、b为常数，其中a≠b，各自取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm，实现椭圆螺旋线的长短轴设置。

一种利用激光切割厚材的系统，使用了如上所述的厚材切割方法。

本发明的有益效果：

(1)通过对激光光斑的三维轨迹的动态控制，实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，从而调节厚材工件的断面热影响区能量分布，避免激光切割断面产生挂渣以及粗条纹等现象，提高厚材工件断面加工质量；

(2)通过动态光斑技术在激光的厚材切割过程中，实现高频轨迹运动，避免激光光路在传输方向的焦点前后呈现双曲面缺陷，有效改善断面倾角，减少加工后续处理工序；

(3)通过对激光光斑的三维轨迹的动态控制，进行激光切割整体路径规划，调节厚材切割进给轨迹方向，提升激光切割速度，有效提高激光厚材加工效率。

附图说明

图1为本发明的激光光斑三维轨迹动态控制的光路示意图；

图2为本发明的激光光斑三维轨迹动态控制的扫描示意图；

图3为本发明的激光光斑三维轨迹动态控制的系统示意图；

图4为三种激光切割方式的断面加工质量评价框图；

图5为三种激光切割方式的断面加工质量效果对比图；

图6为本发明在聚焦镜组件后配置像差补偿镜的光路示意图；

图7为本发明的焦点光斑的第一振动轨迹示意图；

图8为本发明的焦点光斑的第二振动轨迹示意图；

图9为本发明的焦点光斑的第三振动轨迹示意图；

图10为本发明的焦点光斑频率为2kHz、Z轴方向振动幅度为1mm的切割缝隙质量效果图；

图11为本发明的焦点光斑频率为2kHz、Z轴方向振动幅度为5mm的切割缝隙质量效果图；

附图标记：

101、准直透镜；102、反射镜；103、振镜组件；104、聚焦镜组件；105、待切割的厚材；106、扫描头；

204、驱动单元；205、聚焦光束；206、焦点光斑的三维振动轨迹；

301、静态表面质量优先；302、静态最快切割方式；303、动态光斑；

702、像差补偿镜。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

实施例1

如图1-图3所示，一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法，包括发射出激光的激光器，利用准直透镜101对激光束做准直配光，利用反射镜102以及振镜组件103改变准直激光束的光路，利用聚焦镜组件104对准直激光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待切割的厚材105上，控制激光的焦点光斑落在待切割的厚材105内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对厚材的切割；

在切割过程中，控制焦点光斑在切割轨迹上做高频振动，其中，采用高频频率20kHz、振幅20～50μm高频振动，可以优化CO2激光切割加工效果；采用高频频率100kHz、Z轴方向振动的幅度为15μm高频振动，可以有效优化工件加工表面；采用高频频率20kHz、振幅1～10μm高频振动，可以优化激光加工过程中对工件表面除锈效果；而在激光厚材切割过程中，采用高频频率1.5kHz～4kHz,可以实现切割速度和表面加工质量的优化；

在本实施例中，优先采用高频频率为1.5kHz～2kHz；受切割断面的吹入气流和切割速度的影响，激光光斑在1.5kHz～2kHz的高频频率振动下，会在光束传输方向上形成特定三维空间动态轨迹，使传统的静态光斑沿光轴能量分布固定这一特性得以改变；

如图4、图5所示，对比现有技术，如采用静态表面质量优先301的形式进行厚材激光切割处理，激光切割速度为0.2m/min，表面挂渣为-1mm，表面条纹为-0.05mm,综合评价表面条纹加工质量较优，但整体切割速度较慢，加工效率低；

如采用静态最快切割方式302进行厚材激光切割处理，激光切割速度为0.5m/min，表面挂渣为-1mm，表面条纹为-0.17mm,综合评价激光切割速度较良，但切割断面表面条纹粗糙，加工质量较差，后处理繁重；

而如采用本发明所述的动态光斑303形式进行厚材激光切割处理，激光切割速度为 1m/min，表面挂渣为-0.9mm，表面条纹为-0.09mm,综合评价切割速度快、断面加工挂渣少且断面表面条纹质量较良；

通过对激光光斑的三维轨迹的动态控制，能够实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，从而调节厚材工件的断面热影响区能量分布，避免激光切割断面产生挂渣以及粗条纹等现象，提高厚材工件断面加工质量。

该厚材切割方法，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，所述聚焦镜组件104设有驱动单元204，在本实施例中，所述驱动单元204为压电元件，利用压电元件驱动聚焦镜组件104沿光轴方向振动；压电元件通过电压与位移之间精确的对应关系，使得焦点光斑在空间上的位置得以精确控制，从而保证动态轨迹在激光加工过程中保持一致，实现焦点光斑的三维轨迹动态控制。

优选的实施例中，通过以下方法实现焦点光斑在X/Y轴方向的高频振动，利用电机驱动若干反射镜102绕转轴方向往复摆角。

优选的实施例中，至少两个反射镜102被控制做往复摆角，反射镜102的转动轴向相互垂直。

如图6所示，优选的实施例中，位于反射镜102的光路后方设有像差补偿镜702，所述像差补偿镜702设置在聚焦镜组件104的后方，用于提升激光光斑三维轨迹动态扫描过程中聚焦光束205质量，优化像差导致的聚焦光束205质量下降等问题。

在本实施例中，所述焦点光斑的振动轨迹优选三种，包括焦点光斑的第一振动轨迹、焦点光斑的第二振动轨迹和焦点光斑的第三振动轨迹，具体的：

如图7所示，所述焦点光斑的第一振动轨迹方程为：

t＝[0,4*pi]；

x＝r*cos(t)；

y＝r*sin(t)；

z＝t*2；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，r为常数，r的取值范围为根据 X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm；

所述焦点光斑的第一振动轨迹通过等截面圆的螺旋线形式对焦点光斑轨迹进行扫描，实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，从而调节厚材工件的断面热影响区能量分布，避免激光切割断面产生挂渣以及粗条纹等现象；

如图8所示，所述焦点光斑的第二振动轨迹方程为：

t＝[0,10*pi]；

x＝a*sin(t)+b*t*cos(t)；

y＝c*cos(t)-d*t*sin(t)；

z＝t；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，a、b、c、d为常数，各自取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm，实现最大振幅到最小振幅变化；

所述焦点光斑的第二振动轨迹通过墨西哥顶帽螺线形式对焦点光斑轨迹进行扫描，实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，有效提高断面加工质量；

如图9所示，所述焦点光斑的第三振动轨迹方程为：

t＝[0,4*pi]；

x＝a*cos(t)；

y＝b*sin(t)；

z＝t*2；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，a、b为常数，其中a≠b，各自取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm，实现椭圆螺旋线的长短轴设置；

所述焦点光斑的第三振动轨迹通过椭圆螺旋线间距形式对焦点光斑轨迹进行扫描，实现光斑焦点沿光轴的各个方向进行高频运动，有效改善断面倾角，减少加工后续处理工序。

如图10所示，X/Y轴方向振动的幅度为±800μm，Z轴方向振动的幅度为±10mm，在本实施例中，优选X/Y轴方向振动的幅度为300μm、焦点光斑高频频率为2.0kHz、Z轴方向振动幅度为1mm,采用如上所述的光斑三维轨迹动态控制的方法切割厚材时，实现高频轨迹运动，避免激光光路在传输方向的焦点前后呈现双曲面缺陷，有效改善断面倾角，减少加工后续处理工序。

如图1-图3所示，一种利用激光切割厚材的系统，使用了如上所述的厚材切割方法，包括激光器、准直透镜101、反射镜102、振镜组件103、聚焦镜组件104以及聚焦镜组件104的驱动单元204，利用准直透镜101对激光束做准直配光，利用反射镜102以及振镜组件103改变准直激光束的光路，利用聚焦镜组件104对准直激光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待切割的厚材105上，控制激光的焦点光斑落在待切割的厚材105内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对厚材的切割；

在具体应用中，利用电机驱动若干反射镜102绕转轴方向往复摆角实现焦点光斑在X/Y 轴方向的高频振动；利用振镜单元实现光束在工作面的XY平面的动态调整；利用压电元件驱动聚焦镜组件104使得聚焦光束205沿光轴方向振动实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动；完成对焦点光斑的坐标动态轨迹的三维坐标方程，转换为通过定义XY向往复电机摆角和压电元件Z坐标驱动控制，从而实现激光高频率动态光斑的扫描，形成焦点光斑的三维振动轨迹206，完成激光厚材切割操作。

实施例2

本发明的实施方式之一，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1 的区别在于：

该厚材切割方法，在切割过程中，控制焦点光斑在切割轨迹上做高频振动，高频频率为2.1kHz～3kHz。

实施例3

本发明的实施方式之一，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1 的区别在于：

该厚材切割方法，在切割过程中，控制焦点光斑在切割轨迹上做高频振动，高频频率为3.1kHz～4kHz。

实施例4

本发明的实施方式之一，如图11所示，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

焦点光斑高频频率为2.0kHz、焦点光斑Z轴方向振动幅度为5mm,采用焦点光斑三维轨迹动态控制的方法切割厚材时，实现高频轨迹运动，避免激光光路在传输方向的焦点前后呈现双曲面缺陷，有效改善断面倾角，减少加工后续处理工序。

实施例5

本发明的实施方式之一，本实施例的主要技术方案与实施例1或实施例2或实施例3基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或实施例2或实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1或实施例2或实施例3的区别在于：

通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，利用电机驱动摆臂，摆臂驱动聚焦镜组件沿光轴方向往复摆动。

实施例6

本发明的实施方式之一，本实施例的主要技术方案与实施例1或实施例2或实施例3基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或实施例2或实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1或实施例2或实施例3的区别在于：

通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，所述反射镜采用变曲率反射镜，通过控制变曲率反射镜的曲率变化，控制激光束的发散角大小发生往复变化，从而控制经过聚焦镜组件后的焦点光斑在Z轴上的振动变化。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种激光光斑三维轨迹动态控制的厚材切割方法，包括发射出激光的激光器，利用准直透镜对激光束做准直配光，利用反射镜改变准直激光束的光路，利用聚焦镜组件对准直激光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点光斑落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对厚材的切割；其特征在于，

该厚材切割方法，在切割过程中，控制焦点光斑在切割轨迹上做高频振动，高频频率为1.5kHz～4kHz。

2.根据权利要求1所述的厚材切割方法，其特征在于，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，利用压电元件驱动聚焦镜组件沿光轴方向振动。

3.根据权利要求1所述的厚材切割方法，其特征在于，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，利用电机驱动摆臂，摆臂驱动聚焦镜组件沿光轴方向往复摆动。

4.根据权利要求1所述的厚材切割方法，其特征在于，通过以下方法实现焦点光斑在Z轴方向的高频振动，所述反射镜采用变曲率反射镜，通过控制变曲率反射镜的曲率变化，控制激光束的发散角大小发生往复变化，从而控制经过聚焦镜组件后的焦点光斑在Z轴上的振动变化。

5.根据权利要求1至4任一项所述的厚材切割方法，其特征在于，通过以下方法实现焦点光斑在X/Y轴方向的高频振动，利用电机驱动若干反射镜绕转轴方向往复摆角。

6.根据权利要求5所述的厚材切割方法，其特征在于，至少两个反射镜被控制做往复摆角，反射镜的转动轴向相互垂直。

7.根据权利要求5所述的厚材切割方法，其特征在于，位于反射镜的光路后方设有像差补偿镜。

8.根据权利要求5所述的厚材切割方法，其特征在于，X/Y轴方向振动的幅度为±800μm，Z轴方向振动的幅度为±10mm。

9.根据权利要求8所述的厚材切割方法，其特征在于，所述焦点光斑的振动轨迹为：

t＝[0,4*pi]；

x＝r*cos(t)；

y＝r*sin(t)；

z＝t*2；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，r为常数，r的取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm；

或为：

t＝[0,10*pi]；

x＝a*sin(t)+b*t*cos(t)；

y＝c*cos(t)-d*t*sin(t)；

z＝t；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，a、b、c、d为常数，各自取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm，实现最大振幅到最小振幅变化；

或为：

t＝[0,4*pi]；

x＝a*cos(t)；

y＝b*sin(t)；

z＝t*2；

其中，x、y、z为三维坐标，t为参数方程驱动参数，a、b为常数，其中a≠b，各自取值范围为根据X/Y轴方向振动的幅度为半径设置的±800μm，实现椭圆螺旋线的长短轴设置。

10.一种利用激光切割厚材的系统，其特征在于，使用了如权利要求1至9任一项的厚材切割方法。

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