CN114227028A - 一种螺旋扫描激光打孔头及打孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋扫描激光打孔头及打孔方法。解决了现有激光打孔头调试过程难度较大的问题，该螺旋扫描激光打孔头包括沿激光的出射光路依次设置的平移光组、偏转组以及聚焦镜；所述偏转组采用空间光调制器，且空间光调制器上搭载闪耀光栅全息图，通过控制平移光组的旋转，同时切换不同的闪耀光栅全息图来实现光束不同角度、方向的偏转，从而在待加工目标上加工出微孔。

Description

一种螺旋扫描激光打孔头及打孔方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种螺旋扫描激光打孔头及打孔方法。

背景技术

电火花加工是基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，是目前较为常用的微孔制造方式之一，但是该方法存在加工尺寸精度不可控、加工锥度不可控、表面粗糙度低、毛刺多，及效率有限的等缺陷。

电液束流加工是在金属管电极小孔加工的基础上发展起来的，电液束小孔加工可以加工出无铸层和微裂纹的小孔，但其加工效率极低，微孔的轮廓形状不可控，加工粗糙度差，不能加工异形孔。

激光加工具有可加工材料范围广、无接触应力、可实现高品质加工等特点，尤其是飞秒激光由于其超强超快的特性，对硬脆材料、单晶材料等零件表面微孔结构加工具有明显的优势。

激光打孔头作为微孔制造的核心部件，现有的激光打孔头主要有道威棱镜式、四光楔式、三光楔式等多种模式，通过环切加工、螺旋加工等加工方式实现微孔制造。但是道威棱镜式打孔头工作时需要控制三个元件协同旋转，四光楔式打孔头工作时需要控制四个元件协同旋转，三光楔式打孔头工作时也需要控制三个元件协同旋转；但是在实际工程通过装调确保各个元件协调旋转难度非常大，这样一来直接导致现有打孔头的加工精度比较差。

发明内容

为了解决现有激光打孔头调试过程难度较大的问题，本发明提供了一种螺旋扫描激光打孔头及打孔方法。

本发明的具体技术方案是：

一种螺旋扫描激光打孔头，包括沿激光的出射光路依次设置的平移光组、偏转组以及聚焦镜；

所述偏转组采用空间光调制器，且空间光调制器上搭载闪耀光栅全息图，通过控制平移光组的旋转，同时切换不同的闪耀光栅全息图来实现光束不同角度、方向的偏转，从而在待加工目标上加工出微孔。

进一步地，上述平移光组、空间光调制器以及聚焦镜之间需满足以下条件：

A:平移光组绕光轴匀速旋转，空间光调制器上搭载不同闪耀光栅全息图从而产生的光束偏转角度值在[0，θ]之间匀速变化；其中，θ由微孔的孔径决定，具体计算公式为：

r＝f′tanθ

f′—聚焦镜焦距

r—加工孔径；

B：根据几何光学和衍射光学理论，为了满足光束在待加工目标表面形成螺旋扫描轨迹，则平移光组的出射光束经空间光调制器后偏转45°，再由聚焦镜聚焦后再次偏转45°。

进一步地，上述平移光组由单光楔和一对补偿光楔组成。

进一步地，上述平移光组由双光楔组成。

本发明还提供了采用上述螺旋扫描激光打孔头进行打孔的具体方法，具体实现步骤如下：

步骤1：原始入射光束经过平移光组后形成第一光束，该第一光束的光轴偏离于原始入射光束的光轴，且第一光束的光轴保持于原始入射光束的光轴平行；

步骤2：第一光束再经过空间光调制器后形成第二光束，第二光束的光轴和第一光束的光轴形成一个夹角；

步骤3：第二光束通过聚焦镜会聚到被加工目标上，且第二光束在被加工目标上焦点位置偏离原始入射光束焦点在被加工目标上的位置；

当平移光组旋转，同时空间光调制器一直切换闪耀光栅全息图来改变光束偏转角度，第二光束经聚焦镜聚焦后的会聚点将在被加工目标上形成螺旋轨迹，当以高功率激光入射时，会在被加工目标上形成微孔。

进一步地，上述平移光组、空间光调制器以及聚焦镜之间需满足以下条件：

A:平移光组绕光轴匀速旋转，空间光调制

器上搭载闪耀光栅全息图产生的光束偏转角度值在[0，θ]之间匀速变化；其中，θ由微孔的孔径决定，具体计算公式为：

r＝f′tanθ

f′—聚焦镜焦距

r—加工孔径；

B：根据几何光学和衍射光学理论，为了满足光束在待加工目标表面形成螺旋扫描轨迹，则平移光组的出射光束经空间光调制器后偏转45°，再由聚焦镜聚焦后再次偏转45°。

进一步地，上述平移光组由单光楔和一对补偿光楔组成。

进一步地，上述平移光组由双光楔组成。

本发明的有益效果：

1、本发明通过空间光调制器取代了传统打孔头中的两个光楔、两个电机及其控制部分，只需要一个固定安装的SLM即可，简化了打孔头的结构和装调难度。

2、在打孔过程中，本打孔头只需快速旋转平移光组，光束偏转由固定的SLM实现，有效降低了传统光束偏转双光楔运动时的同步控制误差，以及运动过程中元件震动、轴承温度等因素导致的孔径误差，提高了打孔头的打孔孔径、圆度等制造精度。

3、本发明设置了空间调制器，可以通过变化闪耀光栅全息图的周期、条纹方向使光束具有不同程度的偏转角度，从而实现了不同锥度微孔的可调加工。

4、可以在闪耀光栅全息图上叠加光束偏振态、像差补偿等全息图，从而实现激光偏振态的调制，例如将传统线偏振激光改变为圆偏振、椭圆偏振、柱矢量(径向矢量偏振、角向矢量偏振)等偏振态，可提高打孔边缘质量、以及打孔效率。

附图说明

图1(a)为平移光组作用下光束的扫描轨迹图；

图1(b)为空间光调制器作用下光束的扫描轨迹图；

图1(C)为光束最终作用于目标表面时的扫描轨迹图；

图2为平移光组为第一种形式时打孔头的结构示意图。

图3为平移光组为第二种形式时打孔头的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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有没做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。

现有常用的打孔头为四光楔式打孔头和三楔式打孔头，以四光楔式打孔头为例，该打孔头中平移光组采用一个双光楔组，偏移组也采用一个双光楔组，在打孔头工作时，需要四个空心电机控制四个光楔进行协同运动，即加工头螺旋扫描时，偏转光楔1匀速转动，偏转光楔2与平移光组的双光楔做加减速运动，偏转光楔1与2之间最大光楔相对转角由加工孔径决定，平移光组双光楔与偏转光楔1之间相对转角始终保持等于偏转光楔1与偏转光楔2相对转角的一半，由此可见传统的四光楔式打孔头协调控制难度较大。

基于此，本发明公开了一种螺旋扫描激光打孔头，与现有四光楔/三光楔激光打孔头相比协同运动控制难度小，并且精度也有明显提高。

该激光打孔头包括沿激光的出射光路依次设置的平移光组、偏转组以及聚焦镜；其中，偏转组为空间光调制器，且空间光调制器上搭载闪耀光栅全息图，通过控制平移光组的旋转，同时切换不同的闪耀光栅全息图来实现光束不同角度、方向的偏转，从而在待加工目标上加工出微孔。

需要强调的是：本发明的打孔头中平移光组、空间光调制器以及聚焦镜之间需满足以下条件：

A:平移光组绕光轴匀速旋转，空间光调制器上搭载不同闪耀光栅全息图从而产生的光束偏转角度值在[0，θ]之间匀速变化；其中，θ由微孔的孔径决定，具体计算公式为：

r＝f′tanθ

f′—聚焦镜焦距

r—加工孔径；

B：根据几何光学和衍射光学理论，为了满足光束在待加工目标表面形成螺旋扫描轨迹，则平移光组的出射光束经空间光调制器后偏转45°，再由聚焦镜聚焦后再次偏转45°。

具体来说：平移光组产生的光束指向初始位置如图1(a)中“1”数字所标注位置，经过空间光调制器后光束指向的初始位置如图1(b)所示中数字“1”所标注位置，最后经聚焦经聚焦后最终产生的光束指向初始位置如图1(c)中的“1”所标注的位置。

本发明的打孔头中平移光组具有以下二种形式：

第一种平移光组为单光楔和一对补偿光楔组成，补偿光楔用于补偿单光楔加工误差导致的光线角度倾斜误差，补偿光楔在调试完成后就固定安装，而单光楔为一个平行平板结构需要在打孔过程中一直作旋转运动，如图2所示。

第二种平移光组为双光楔结构，双光楔等效为一个平行平板结构需要在打孔过程中一直作旋转运动，如图3所示。

聚焦镜焦距是决定打孔锥度、扫圆半径的关键因素，其自身相差对打孔边缘质量也有一定影响。聚焦镜在加工头中作为一个独立模块，相同的平移光组和空间光调制器可以匹配不同焦距的聚焦镜，聚焦镜焦距决定了加工头的工作距离，为了适应不同的加工要求，需要不同焦距的聚焦镜，因此，聚焦镜焦距可以形成一个标准系列，如60mm、80mm、100mm、150mm、200mm、250mm等。

采用该打孔头实现微孔加工的过程为：

原始入射光束经过平移光组后将会平行偏离光轴一段距离，作为第一光束，第一光束再经过空间光调制器后与光轴形成一个微小的夹角，作为第二光束，最后通过聚光镜会聚到偏离光轴一微小距离的焦面上，当平移光组匀速旋转，而SLM使光束偏转角度值在[0，θ]之间匀速变化时，光束始终保持在一个平面内传输，经聚焦镜聚焦后的会聚点将在被加工目标上形成螺旋轨迹，当以高功率激光入射时，即会与加工材料在焦面位置相互作用，形成微孔，微孔孔径由SLM形成的光束偏转角度值和聚焦镜焦距共同决定，具体公式为：

r＝f′tanθ

f′—聚焦镜焦距

r—加工孔径。

Claims (8)

1.一种螺旋扫描激光打孔头，包括沿激光的出射光路依次设置的平移光组、偏转组以及聚焦镜；其特征在于：

所述偏转组采用空间光调制器，且空间光调制器上搭载闪耀光栅全息图，通过控制平移光组的旋转，同时切换不同的闪耀光栅全息图来实现光束不同角度、方向的偏转，从而在待加工目标上加工出微孔。

2.根据权利要求1所述的螺旋扫描激光打孔头，其特征在于：所述平移光组、空间光调制器以及聚焦镜之间需满足以下条件：

A:平移光组绕光轴匀速旋转，空间光调制器上搭载不同闪耀光栅全息图从而产生的光束偏转角度值在[0，θ]之间匀速变化；其中，θ由微孔的孔径决定，具体计算公式为：

r＝f′tanθ

f′—聚焦镜焦距

r—加工孔径；

B：根据几何光学和衍射光学理论，为了满足光束在待加工目标表面形成螺旋扫描轨迹，则平移光组的出射光束经空间光调制器后偏转45°，再由聚焦镜聚焦后再次偏转45°。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋扫描激光打孔头，其特征在于：所述平移光组由单光楔和一对补偿光楔组成。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋扫描激光打孔头，其特征在于：所述平移光组由双光楔组成。

5.一种螺旋扫描激光打孔方法，其特征在于，采用了如权利要求1所述的打孔头，其具体实现步骤如下：

步骤1：原始入射光束经过平移光组后形成第一光束，该第一光束的光轴偏离于原始入射光束的光轴，且第一光束的光轴保持于原始入射光束的光轴平行；

步骤2：第一光束再经过空间光调制器后形成第二光束，第二光束的光轴和第一光束的光轴形成一个夹角；

步骤3：第二光束通过聚焦镜会聚到被加工目标上，且第二光束在被加工目标上焦点位置偏离原始入射光束焦点在被加工目标上的位置；

当平移光组旋转，同时空间光调制器一直切换闪耀光栅全息图来改变光束偏转角度，第二光束经聚焦镜聚焦后的会聚点将在被加工目标上形成螺旋轨迹，当以高功率激光入射时，会在被加工目标上形成微孔。

6.根据权利要求5所述的螺旋扫描激光打孔方法，其特征在于：所述平移光组、空间光调制器以及聚焦镜之间需满足以下条件：

A:平移光组绕光轴匀速旋转，空间光调制

器上搭载闪耀光栅全息图产生的光束偏转角度值在[0，θ]之间匀速变化；其中，θ由微孔的孔径决定，具体计算公式为：

r＝f′tanθ

f′—聚焦镜焦距

r—加工孔径；

B：根据几何光学和衍射光学理论，为了满足光束在待加工目标表面形成螺旋扫描轨迹，则平移光组的出射光束经空间光调制器后偏转45°，再由聚焦镜聚焦后再次偏转45°。

7.根据权利要求5或6所述的螺旋扫描激光打孔方法，其特征在于：所述平移光组由单光楔和一对补偿光楔组成。

8.根据权利要求5或6所述的螺旋扫描激光打孔方法，其特征在于：所述平移光组由双光楔组成。

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