CN114871584A - 基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，包括：机座；工作台，设于所述机座上；红外纳秒激光头，位于所述工作台的上方，用于产生红外纳秒激光并将照射至待加工工件上；紫外飞秒激光头，位于所述工作台的上方，并与所述红外纳秒激光头间隔设置，用于产生紫外飞秒激光并将照射至待加工工件上。本发明所提出的技术方案中，通过红外纳秒激光和紫外飞秒激光可实现对于待加工工件的激光冷加工，实现激光冷加工时，激光与待加工工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较低的表面粗糙度和较高的表面质量，进而提高激光加工质量。

Description

基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备及方法。

背景技术

目前，针对高硬脆材料(比如陶瓷)的激光加工主要是通过短脉冲激光的热效应，激光热效应加工过程是通过材料吸收激光能量实现熔化流动、气化去除或热应力去除来进行加工。但是由于高硬脆材料脆性较大，在瞬时的激光热作用下，高硬脆材料的表面迅速达到熔点，温度骤变极容易产生裂纹。

尽管通过优化激光加工工艺，可以降低高硬脆材料开裂的程度，但始终无法根除这种现象。因此，通过激光热效应加工，容易使得高硬脆材料表面产生微裂纹，从而降低激光加工质量。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，该激光加工设备包括：

机座；

工作台，设于所述机座上，用于放置待加工工件；

红外纳秒激光头，位于所述工作台的上方，用于产生红外纳秒激光并将其照射至待加工工件上；

紫外飞秒激光头，位于所述工作台的上方，并与所述红外纳秒激光头间隔设置，用于产生紫外飞秒激光并将其照射至待加工工件上；

其中，所述红外纳秒激光用于对待加工工件表面进行粗加工，所述紫外飞秒激光用于对待加工工件表面进行精细加工。

在一些实施例中，所述红外纳秒激光头包括：

红外纳秒激光器，用于产生红外纳秒激光；

第一激光振镜，与所述红外纳秒激光器连接，用于将所述红外纳秒激光器产生的红外纳秒激光照射至待加工工件上。

在一些实施例中，所述第一激光振镜包括依次连接的第一X轴振镜、第一Y轴振镜和第一Z轴振镜，所述红外纳秒激光器所产生的红外纳秒激光，经由所述第一X轴振镜、第一Y轴振镜和第一Z轴振镜调节出射角度并照射至待加工工件上。

在一些实施例中，所述紫外飞秒激光头包括：

紫外飞秒激光器，用于产生紫外飞秒激光；

第二激光振镜，与所述紫外飞秒激光器连接，用于将所述紫外飞秒激光器产生的紫外飞秒激光照射至待加工工件上。

在一些实施例中，所述第二激光振镜包括依次连接的第二X轴振镜、第二Y轴振镜和第二Z轴振镜，所述紫外飞秒激光器所产生的紫外飞秒激光，经由所述第二X轴振镜、第二Y轴振镜和第二Z轴振镜调节出射角度并照射至待加工工件上。

在一些实施例中，所述基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括第一旋转机构，所述第一旋转机构与所述工作台连接，用于驱动所述工作台沿第一方向转动。

在一些实施例中，所述基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括第二旋转机构，所述第二旋转机构与所述工作台连接，用于驱动所述工作台沿第二方向转动，所述第二方向与所述第一方向不同。

在一些实施例中，所述基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括视觉定位机构，所述视觉定位机构位于所述工作台的上方，用于对放置于所述工作台上的待加工工件进行定位。

在一些实施例中，所述基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括：

冷却装置，用于对激光加工设备进行散热。

和/或，除尘装置，用于去除激光加工设备加工工件时所产生的灰尘。

在一些实施例中，所述基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括控制装置，所述控制装置分别与所述红外纳秒激光头和紫外飞秒激光头连接，用于控制所述红外纳秒激光头和紫外飞秒激光头运行。

本发明进一步提出一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工方法，包括：

获取待加工工件的位置信息；

根据待加工工件的位置信息，控制红外纳秒激光照射至待加工工件表面，以对待加工工件表面进行预热处理；

根据待加工工件的位置信息，控制紫外飞秒激光照射待加工工件表面，以对待加工工件表面的微纳米颗粒进行辐射熔融。

本发明所提出的技术方案中，先将待加工工件放置于工作台上，而后由红外纳秒激光头产生红外纳秒激光并照射至工件表面，以通过红外纳秒激光对工件表面进行预热处理，然后由紫外飞秒激光头产生紫外飞秒激光并照射盒子工件表面，以通过紫外飞秒激光对工件表面的微纳米颗粒进行辐射熔融，实现激光冷加工。实现激光冷加工时，激光与待加工工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较低的表面粗糙度和较高的表面质量，进而提高激光加工质量。本发明所提出的多功能加工设备能够用于激光打标、纹理加工、微纳加工和高硬脆材料的抛光。

附图说明

图1为本发明一实施例中基于红外纳秒激光和紫外飞秒激光的激光加工设备的结构示意图；

图2为图1中激光加工设备的主视图；

图3为本发明中第一激光振镜与第二激光振镜的结构示意图；

图4为本发明一实施例中基于红外纳秒激光和紫外飞秒激光的激光加工方法的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，请参见图1和图2，该基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备包括：

机座10；

工作台20，设于机座10上，用于放置待加工工件；

红外纳秒激光头30，位于工作台20的上方，用于产生红外纳秒激光并将其照射至待加工工件上；

紫外飞秒激光头40，位于工作台20的上方，并与红外纳秒激光头30间隔设置，用于产生紫外飞秒激光并将其照射至待加工工件上；

其中，红外纳秒激光用于对待加工工件表面进行粗加工，紫外飞秒激光用于对待加工工件表面进行精细加工。

本实施例中，机座10用作支撑件，用于安装并支撑工作台20、红外纳秒激光头30以及紫外飞秒激光头40等部件。机座10整体大致呈矩形状设置，其底部设置有多个移动轮，以方便移动激光加工设备。

可选地，工作台20上设有用于固定工件的固定装置，以防止工件在加工过程中移动，影响激光加工效果。其中，固定装置可以采用夹持结构，也可以采用真空吸附结构，包括但不限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行设计。

本发明选择紫外飞秒超快激光进行加工，并使用红外纳秒激光进行辅助加工，进行双激光束的耦合加工。紫外飞秒激光与材料表面相互作用时，通过雪崩电离或多光子电离等产生自由电子，使加工过程发生“多光子吸收”，材料吸收激光光子能量后，此时材料吸收激光光子能量远大于材料化学键能，这时材料化学键断裂速度将会加快，材料的表面成分被迅速去除，在此过程光化学作用占主导地位，产生的热影响区较少，可以实现激光冷加工。

具体的，激光加工时，先将待加工工件放置于工作台20上，而后由红外纳秒激光头30产生红外纳秒激光并照射至工件表面，以通过红外纳秒激光对工件表面进行预热处理，然后由紫外飞秒激光头40产生紫外飞秒激光并照射待加工工件表面，以通过紫外飞秒激光对工件表面的微纳米颗粒进行辐射熔融，实现激光冷加工。实现激光冷加工时，激光与待加工工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较低的表面粗糙度和较高的表面质量，进而提高激光加工质量。

进一步的，本实施例所提出的多功能加工设备能够用于激光打标、纹理加工、微纳加工和高硬脆材料的抛光，此仅为示例性的，而非限制性的，包括但不限于此。

在一些实施例中，请参见图3，本发明所提出的红外纳秒激光头30包括：

红外纳秒激光器(图未示)，用于产生红外纳秒激光；

第一激光振镜31，与红外纳秒激光器连接，用于将红外纳秒激光器产生的红外纳秒激光照射至待加工工件上。

本实施例中，红外纳秒激光头30包括红外纳秒激光器和第一激光振镜31，第一激光振镜31与红外纳秒激光器连接，红外纳秒激光器产生的红外纳秒激光经由第一激光振镜31照射至待加工工件上。其中，第一激光振镜31用于调节红外纳秒激光的出射角度，通过调节红外纳秒激光的出射角度，以使得红外纳秒激光照射至待加工工件的不同区域。

在一些实施例中，请参见图3，本发明所提出的第一激光振镜31包括依次连接的第一X轴振镜311、第一Y轴振镜312和第一Z轴振镜313，红外纳秒激光器所产生的红外纳秒激光，经由第一X轴振镜311、第一Y轴振镜312和第一Z轴振镜313调节出射角度并照射至待加工工件上。

本实施例中，第一激光振镜31为三维振镜，其具有X、Y、Z三个自由度，通过第一X轴振镜311、第一Y轴振镜312和第一Z轴振镜313的配合，以调节激光的出射角度，从而使得激光照射在工件表面的不同位置上，以实现对于复杂工件内部曲面的精细化纹理加工。

在一些实施例中，请参见图3，本发明所提出的紫外飞秒激光头40包括：

紫外飞秒激光器(图未示)，用于产生紫外飞秒激光；

第二激光振镜41，与紫外飞秒激光器连接，用于将紫外飞秒激光器产生的紫外飞秒激光照射至待加工工件上。

本实施例中，紫外飞秒激光头40包括紫外飞秒激光器和第二激光振镜41，第二激光振镜41与紫外飞秒激光器连接，紫外飞秒激光器产生的紫外飞秒激光经由第二激光振镜41照射至待加工工件上。其中，第二激光振镜41用于调节紫外飞秒激光的出射角度，通过调节紫外飞秒激光的出射角度，以使得紫外飞秒激光照射至待加工工件的不同区域。

在一些实施例中，请参见图3，本发明所提出的第二激光振镜41包括依次连接的第二X轴振镜411、第二Y轴振镜412和第二Z轴振镜413，紫外飞秒激光器所产生的紫外飞秒激光，经由第二X轴振镜411、第二Y轴振镜412和第二Z轴振镜413调节出射角度并照射至待加工工件上。

本实施例中，第二激光振镜41为三维振镜，其具有X、Y、Z三个自由度，通过第二X轴振镜411、第二Y轴振镜412和第二Z轴振镜413的配合，以调节激光的出射角度，从而使得激光照射在工件表面的不同位置上，以实现对于复杂工件内部曲面的精细化纹理加工。

在一些实施例中，本发明所提出的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括第一旋转机构(图未示)，第一旋转机构与工作台20连接，用于驱动工作台20沿第一方向转动。

本实施例中，为进一步保证复杂工件的精细化纹理加工，给工作台20配置有一第一旋转机构，以通过第一旋转机构驱动工作台20沿第一方向转动，从而带动放置于工作台20上的待加工工件转动。其中，第一旋转机构包括第一电机和第一传动机构，第一电机用于提供动力源，第一传动机构分别与第一电机和工作台20连接，以将第一电机的动力传递至工作台20，从而驱动工作台20转动。

在一些实施例中，本发明所提出的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括第二旋转机构(图未示)，第二旋转机构与工作台20连接，用于驱动工作台20沿第二方向转动，第二方向与第一方向不同。

本实施例中，为进一步保证复杂工件的精细化纹理加工，给工作台20配置有一第二旋转机构，以通过第二旋转机构驱动工作台20沿第二方向转动，从而带动放置于工作台20上的待加工工件转动。其中，第二旋转机构包括第二电机和第二传动机构，第二电机用于提供动力源，第二传动机构分别与第二电机和工作台20连接，以将第二电机的动力传递至工作台20，从而驱动工作台20转动。结合上述实施例中第一激光振镜31和第二激光振镜41的X、Y、Z三个自由度，使得激光复合加工设备具有五个自由度，完全能够满足对于复杂工件的精细化纹理加工。

在一些实施例中，请参见图2，本发明所提出的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括视觉定位机构50，视觉定位机构50位于工作台20的上方，用于对放置于工作台20上的待加工工件进行定位。

本实施例中，待工件放置于工作台20上后，先通过视觉定位机构50获取工件的位置信息，而后根据工件的位置信息控制红外纳秒激光头30和紫外飞秒激光头40对其进行激光加工。其中，视觉定位机构50包括CCD相机，用于获取工件在工作台20上的位置图像，以保证红外纳秒激光头30和紫外飞秒激光头40在工件表面的预设位置进行激光加工。

在一些实施例中，请参见图1和图2，本发明所提出的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括：

冷却装置60，用于对激光加工设备进行散热。

和/或，除尘装置(图未示)，用于去除激光加工设备加工工件时所产生的灰尘。

本实施例中，激光加工设备在对工件进行加工时，会产生热量，该热量可通过冷却装置60进行散热。具体的，冷却装置60可采用液冷或风冷等方式，比如水冷机或风冷机等，本领域技术人员可根据实际情况进行设计。作为优选，本实施例所提出的冷却装置60为水冷机，水冷机通过水管与激光加工设备连接。

进一步的，激光加工设备在对工件进行加工时，会产生灰尘，该灰尘可通过除尘装置进行去除。

在一些实施例中，请参见图1和图2，本发明所提出的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备还包括控制装置70，控制装置70分别与红外纳秒激光头30和紫外飞秒激光头40连接，用于控制红外纳秒激光头30和紫外飞秒激光头40运行。

本发明进一步提出一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工方法，用于激光打标、纹理加工、微纳加工和高硬脆材料的抛光，请参见图4，该基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工方法包括：

步骤S10，获取待加工工件的位置信息；

步骤S20，根据待加工工件的位置信息，控制红外纳秒激光照射至待加工工件表面，以对待加工工件表面进行预热处理；

步骤S30，根据待加工工件的位置信息，控制紫外飞秒激光照射待加工工件表面，以对待加工工件表面的微纳米颗粒进行辐射熔融。

本实施例所提出的激光加工方法基于前述各实施例所记载的激光加工设备存在，其先通过视觉定位机构50获取待加工工件的位置信息，而后控制装置70根据工件的位置信息控制红外纳秒激光头30将红外纳秒激光照射至工件表面，以对工件表面进行预热处理，然后控制装置70再根据工件的位置信息控制紫外飞秒激光头40将紫外飞秒激光照射至工件表面，以对待加工工件表面的微纳米颗粒进行辐射熔融，从而实现对于工件的激光冷加工。

实现激光冷加工时，激光与待加工工件的作用时间很短，热影响区非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较低的表面粗糙度和较高的表面质量，进而提高激光加工质量。

进一步的，在激光加工过程中，控制装置70还可控制第一旋转机构和第二旋转机构启动，以驱动工作台20和位于工作台20上的工件转动，使得红外纳秒激光和紫外飞秒激光能够照射至工件的各个不同位置，实现对于工件的五轴双激光束耦合加工。

更进一步的，在激光加工过程中，控制装置70还可控制冷却装置60和除尘装置启动，以对激光加工设备产生的热量进行散热，同时对激光加工设备产生的灰尘进行去除。

在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，包括：

机座；

工作台，设于所述机座上，用于放置待加工工件；

红外纳秒激光头，位于所述工作台的上方，用于产生红外纳秒激光并将其照射至待加工工件上；

紫外飞秒激光头，位于所述工作台的上方，并与所述红外纳秒激光头间隔设置，用于产生紫外飞秒激光并将其照射至待加工工件上；

其中，所述红外纳秒激光用于对待加工工件表面进行粗加工，所述紫外飞秒激光用于对待加工工件表面进行精细加工。

2.根据权利要求1所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，所述红外纳秒激光头包括：

红外纳秒激光器，用于产生红外纳秒激光；

第一激光振镜，与所述红外纳秒激光器连接，用于将所述红外纳秒激光器产生的红外纳秒激光照射至待加工工件上。

3.根据权利要求2所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，所述第一激光振镜包括依次连接的第一X轴振镜、第一Y轴振镜和第一Z轴振镜，所述红外纳秒激光器所产生的红外纳秒激光，经由所述第一X轴振镜、第一Y轴振镜和第一Z轴振镜调节出射角度并照射至待加工工件上。

4.根据权利要求1或2所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，所述紫外飞秒激光头包括：

紫外飞秒激光器，用于产生紫外飞秒激光；

第二激光振镜，与所述紫外飞秒激光器连接，用于将所述紫外飞秒激光器产生的紫外飞秒激光照射至待加工工件上。

5.根据权利要求4所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，所述第二激光振镜包括依次连接的第二X轴振镜、第二Y轴振镜和第二Z轴振镜，所述紫外飞秒激光器所产生的紫外飞秒激光，经由所述第二X轴振镜、第二Y轴振镜和第二Z轴振镜调节出射角度并照射至待加工工件上。

6.根据权利要求4所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，还包括第一旋转机构，所述第一旋转机构与所述工作台连接，用于驱动所述工作台沿第一方向转动。

7.根据权利要求6所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，还包括第二旋转机构，所述第二旋转机构与所述工作台连接，用于驱动所述工作台沿第二方向转动，所述第二方向与所述第一方向不同。

8.根据权利要求1所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，还包括视觉定位机构，所述视觉定位机构位于所述工作台的上方，用于对放置于所述工作台上的待加工工件进行定位。

9.根据权利要求1所述的基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工设备，其特征在于，还包括：

冷却装置，用于对激光加工设备进行散热。

和/或，除尘装置，用于去除激光加工设备加工工件时所产生的灰尘。

10.一种基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工方法，用于激光打标、纹理加工、微纳加工和高硬脆材料的抛光，其特征在于，所述基于红外纳秒和超快紫外激光的多功能加工方法包括：

获取待加工工件的位置信息；

根据待加工工件的位置信息，控制红外纳秒激光照射至待加工工件表面，以对待加工工件表面进行预热处理；

根据待加工工件的位置信息，控制紫外飞秒激光照射待加工工件表面，以对待加工工件表面的微纳米颗粒进行辐射熔融。

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