CN114160960A - 一种激光加工方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光加工方法及其装置。本发明通过将输出的光束投射到所述变形镜上，并经所述变形镜聚焦到加工工件表面，通过控制所述变形镜使激光光束聚焦到所述待加工工件进行一维、二维或三维空间移动，满足各种特殊应用的光场需求，使用方便，结构简单，整套光学系统的体积大幅降低。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光加工技术领域，特别涉及激光加工方法及其装置。
背景技术
激光加工设备利用高能激光束在材料或材料表面进行切割、焊接、雕刻、热处理等，激光束与材料相互作用的方法采用激光焦点固定在被作用材料的某一位置，在整个过程中，激光焦点处于静止不动的状态，这样会导致在焦点处的能量密度最高。不同的加工工艺，要求激光束的焦点位置不同。
业内为了实现多样化的加工，通常都通过增加XY轴的振镜电机实现xy平面上光斑的变化；再增加z轴的电机，控制透镜实现Z轴焦点的上下移动。然而这种方法使用了三组运动电机配合三组光学系统实现该摆动，一方面摆动电机的推力大小把整个摆动的频率限制在一个较低的水平，由此限制了工艺的多样性。与此同时，三组电机推动三组光学系统也导致整套光学加工系统巨大的体积。
因此，需要开发新的激光加工装置，以能克服现有技术中存在的相关问题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种激光加工装置，满足了各种特殊应用的光场要求，调整速度快捷，并且整套光学系统体积大幅度降低。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
输出准直激光束到变形镜；
调节所述变形镜，将所述准直激光束反射并聚焦形成的焦点光斑在加工件上做一维、二维或三维的移动。
在一些实施例中，所述反射镜为具有单一光学镜片的变形镜。
在一些实施例中，所述变形镜由单一镜片调节机构调整所述单一光学镜片的面型或曲率。
在一些实施例中,调整所述光学镜片的面型或曲率，使得所述焦点位置从(x，y，z)调整到(x，y，z1)，实现激光焦点在所述加工工件厚度方向的上下移动。
在一些实施例中，调整所述光学镜片的面型，使得焦点位置从(x，y，z)调整到(x1，y1，z)，实现激光焦点在所述加工工件表面作平移。
在一些实施例中，调整所述光学镜片的面型，使得焦点位置分布从(x1，y1，z1)调整到(xn，yn，zn),实现激光焦点按照设定的空间加工轨迹在所述加工工件上的空间移动，所述n为空间上的一个或多个点。
在一些实施例中，调整所述光学镜片的面型，构建激光焦点在空间中的多个离散点分布，所述激光焦点在所述各离散点具有相同或不同的停留时间。
在一些实施例中，调整所述光学镜片的面型构建出激光焦点在空间中的特定光场分布，当所述光场沿着一设定方向运动，并随时间在所述设定方向上连续叠加时，所述光场形成所述设定的空间加工轨迹。
在一些实施例中，调整所述变形镜，实现将所述准直激光束调整为高斯光束、平顶光束、超高斯光束。在一些实施例中，所述变形镜包括一单一光学镜片和设置在所述变形镜内部的促动机构，所述控制单元通过控制所述促动机构调节所述光学镜片的面型，从而实现所述激光光束的波前变化。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种激光加工装置，所述控制单元与所述变形镜连接，用于控制所述变形镜以使所述激光器输出激光光束聚集到所述待加工工件表面，满足各种特殊应用的光场需求，使用方便，结构简单，整套光学系统的体积大幅降低。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/单元表示为类似的元件/单元，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明一实施例提供的激光加工装置的结构示意图；
图2是图1实施例激光加工装置中变形镜的结构示意图；
图3是焦点位置分布图；
图4为运动后的光场轨迹图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请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，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/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。
本发明提供的激光加工装置可以是用于激光焊接，激光切割，激光熔覆，实际使用中不作限定。
本发明实施例提供一种激光加工装置，请参阅图1，激光加工装置100包括激光器10、包括变形镜20的激光加工头(图未示出)和控制单元30。激光器10、变形镜20位于同一光路上。所述控制单元30与变形镜20连接，并用于控制所述变形镜20。所述激光器10，包含激光光源和激光输出头，激光光源产生的激光光束通过激光输出头向外输出。
激光器10可以包括半导体光源、固体光源、光纤激光光源中的一种或多种，从而输出至少一种或多种波长的激光。变形镜20可以为分立式变形镜、连续式变形镜，双电压变形镜、MEMS变形镜、薄膜变形镜、液晶空间光调制器或快速倾斜镜其中之一。激光加工装置100加工工艺可为切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等不限于此。
激光加工装置100工作时，激光器10输出的激光光束投射到变形镜20，变形镜20将激光光束聚焦到待加工工件40表面，激光光束经过变形镜20在待加工工件40表面聚焦成激光焦点，从而加工待加工工件40。在本实施例中，激光器10输出的激光光束投射到变形镜20上，并经变形镜20直接聚焦到待加工工件40表面，激光加工装置100不需要额外设置聚焦透镜将激光光束聚焦到待加工工件40表面或设置反射镜反射激光光束，有效减少光学器件的数量，激光加工装置100内光学系统结构紧凑。控制单元30分别与激光器10和变形镜20连接，用于控制变形镜20以使激光器10输出激光光束聚焦到待加工工件40表面，这种加工方式使得整套光学系统体积大幅度降低，光斑摆动频率较高，满足工艺的多样性。
请参阅图2，变形镜20包含一单一光学镜片21和设置在变形镜20内部的促动机构，控制单元30通过控制促动机构调节所述光学镜片21的面型，从而实现所述激光光束的波前变化。当激光光束投射到光学镜片21上，控制单元30通过控制促动机构调节单一光学镜片21的面型，当光学镜片21由面型a调整为面型b,激光焦点位置也发生调整。由于整个加工过程中只需要控制单一光学镜片21的面型变化，不需要多个变形镜的相互配合或是多个光学镜片的配合，因此调节过程较为精准，调整速度快捷。促动机构可为气压促动机构，液压促动机构或压电陶瓷促动机构，不限于此。光学镜片21可以为球面镜，偶次非球面镜，奇次非球面镜，轮胎面镜，自由曲面镜，不限于此。光学镜片21上镀有增透膜系，可以实现对预设波长入射光束的高效反射。
在一些实施例中，促动机构为气压促动机构时，在激光加工装置100进行工作时，压力气体进入变形镜20内，压力使得光学镜片21发生微形变，从而使光学镜片21的面型发生变化，通过调节变形镜20内气体的压力，可得到不同的面型。
在一些实施例中，所述促动机构包括基座23和多个固定于基座23上的压电陶瓷致动器22，多个压电陶瓷致动器22固定于单一光学镜片21的背面。当控制电压作用于多个压电陶瓷致动器22时，压电陶瓷致动器22产生离面位移，位移通过压电陶瓷致动器22传递到光学镜片21，使光学镜片21产生变形，从而达到面型或曲率的改变。
为了进一步说明本发明激光加工装置的优越性，下面结合具体的加工实施例对本发明的激光加工方法详细说明。
实施例一：
需要做一维加工时，控制单元30通过调整单一光学镜片21的面型，光学镜片21的面型发生微小变化从而实现激光焦点在待加工工件40厚度光轴方向上作向上或向下移动。
例如，在对待加工工件40进行加工时，以前由于板材尺寸，或者外部机床原因导致要求激光焦点与实际焦点不一致，需要频繁的手动调节激光加工装置100的焦点，调整效率较低，操作不方便也不安全，现在可通过控制单元30来控制所述促动机构调整变形镜20的单一光学镜片21的面型，使得焦点位置从(x，y，z)调整到(x，y，z1)，通过改变变形镜20的单一光学镜片21的面型或曲率可实现快速调焦，结构简单，使用方便，加工制造成本较低。
实施例二：
需要做二维加工时，控制单元30可通过调整单一光学镜片21的面型，光学镜片21的面型发生微小变化从而实现激光焦点在待加工工件40表面作平移。
例如，对待加工工件40进行加工时，激光焦点不在喷嘴中心或者工艺过程中需要焦点位置在待加工工件40表面作平移时，此时可通过调节促动机构来调整变形镜20的单一光学镜片21的面型，使得焦点位置从(x，y，z)调整到(x1，y1，z)，从而帮助激光加工装置100保持良好和稳定的工作状态，最大程度地提高加工能力和效率。
实施例三：
三维加工时，控制单元30可通过调整单一光学镜片21的面型，光学镜片21的面型发生微小变化从而实现激光焦点按照设定的空间加工轨迹在待加工工件40上作三维空间摆动。
在对待加工工件40进行精细加工时，需要构建空间中的特殊光场，通过调节促动机构来调整变形镜20的单一光学镜片21的面型，构建出激光焦点在空间中的特定光场分布，使得焦点位置分布为(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)....(xn，yn，zn),激光焦点在空间中为多个离散点，通过以上N个空间上的点最终绘制出复杂的光场分布；进一步的，我们可以针对每一个空间点增加一个光束停留时间t，使得焦点位置分布为(x1，y1，z1，t1)(x2，y2，z2，t2)....(xn，yn，zn，tn),其中每一个空间点增加的一个光束停留时间t1,t2,...tn可以是相等的停留时间，此时可以通过以上N个空间上的点绘制出复杂的光场分布，其中每一个空间点增加的一个光束停留时间t1,t2,...tn为不同的停留时间，此时可以通过以上N个空间上的点绘制出更为复杂的光场分布。
如图3，特殊的，以空间中摆动一个圆柱体为例。首先我们通过变形镜在z1高度上绘制一个圆形，该圆形可以离散成(x1，y1，z1)....(xn，yn，z1)。如果从高度z1到zm高度的圆柱体离散出m个圆，在高度z1的第一个圆可以离散成(x1，y1，z1)....(xn，yn，z1)，在高度z2的第二个圆可以离散成(x1，y1，z2)....(xn，yn，z2)，则在高度zm的最后一个圆可以离散成(x1，y1，zm)....(xn，yn，zm)。那么空间中(x1，y1，z1)....(xn，yn，z1)，(x1，y1，z2)....(xn，yn，z2)，......(x1，y1，zm)....(xn，yn，zm)这些点的所绘制的图样就构建出空间中的一个圆柱形的光场。
图4，如果让该光场沿着某个方向运动，这些圆柱形的光场随时间在该方向连续叠加，则该光场就能形成一个立方体的加工轨迹。
在一些实施例中，激光加工装置100中控制单元30通过控制激光器10的出光功率和出光类型，同时配合调整变形镜20的面型和曲率改变，可以通过调整所述准直激光束中的出光类型，以及不同波长激光的透光比率和输出功率，实现对光斑形状的调整。
在一些实施例中，激光加工装置100还包括电机和工作台，电机与控制单元30连接，电机用于驱动工作台的运动，工作台包括沿X/Y/Z向移动的工作台，在微细加工之前，控制单元30控制电机去控制工作台沿X或Y或Z轴运动，对待加工工件进行粗加工。在微细加工之时，通过控制单元30控制变形镜20的单一光学镜片21的面型变化可实现对激光光束的波前变化，使得激光光束在设定的焦点位置产生目标光斑从而对待加工工件进行精细加工。
本发明中，激光加工时，使用单一的光学镜片21实现空间中xyz轨迹点的变化，通过随时间变化的的轨迹点实现了空间中的特殊光场分布，进而满足各种特殊应用的光场要求；并且光学镜片21面型的微小变化导致了激光光束焦点的位置变化，整体调整速度快捷。而且由于运动轨迹只通过一个光学镜片21的变形来实现，因此整套光学系统体积大幅降低。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种激光加工方法，其特征在于，包括:
输出准直激光束到变形镜；
调节所述变形镜，将所述准直激光束反射并聚焦形成的焦点光斑在加工件上做一维、二维或三维的移动。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述反射镜为具有单一光学镜片的变形镜。
3.据权利要求2所述的激光加工方法，其特征在于，所述变形镜由单一镜片调节机构调整所述单一光学镜片的面型或曲率。
4.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于,调整所述光学镜片的面型或曲率，使得所述焦点位置从(x，y，z)调整到(x，y，z1)，实现激光焦点在所述加工工件厚度方向的上下移动。
5.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，调整所述光学镜片的面型，使得焦点位置从(x，y，z)调整到(x1，y1，z)，实现激光焦点在所述加工工件表面作平移。
6.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，调整所述光学镜片的面型，使得焦点位置分布从(x1，y1，z1)调整到(xn，yn，zn),实现激光焦点按照设定的空间加工轨迹在所述加工工件上的空间移动，所述n为空间上的一个或多个点。
7.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在，调整所述光学镜片的面型，构建激光焦点在空间中的多个离散点分布，所述激光焦点在所述各离散点具有相同或不同的停留时间。
8.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，调整所述光学镜片的面型构建出激光焦点在空间中的特定光场分布，当所述光场沿着一设定方向运动，并随时间在所述设定方向上连续叠加时，所述光场形成所述设定的空间加工轨迹。
9.根据权利要求1中所述的激光加工方法，其特征在于，调整所述变形镜，以实现将所述准直激光束调整为高斯光束、平顶光束、超高斯光束。
10.一种激光加工装置，其特征在于，包括激光器，加工头和控制单元；
所述激光器与所述加工头连接，用于输出准直激光束；
所述加工头内设有变形镜，用于接受所述准直激光束并射出；
所述控制单元分别与所述加工头和所述激光器连接，用于控制所述激光器和所述加工头实现如权利要求1-9所述的激光加工方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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