CN116038104A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种激光加工装置，包括激光源、变焦组件、振镜组件和反射组件；激光源用于发射激光；变焦组件包括多个透镜组，用于对激光源所发射的激光进行会聚；振镜组件用于接收经变焦组件所出射的激光，以使得激光以预设角度出射；反射组件设置于振镜组件与工件之间，反射组件包括多个反射镜，用于接收经振镜组件所出射的激光，并将激光反射至工件，改变激光的方向以对工件进行加工；多个透镜组之间的距离可调整，用于调整变焦组件的主面位置，进而调整反射至工件的焦点位置。本申请的激光加工装置，能够减少加工重叠和漏加工的现象，提升加工品质。

Description

激光加工装置

技术领域

本申请涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工装置。

背景技术

一般生产中，需要利用激光对工件进行焊接、打标、切割、表面处理等加工作业。在对侧壁与底壁夹角小于等于90°的侧壁进行加工时，激光无法通过振镜偏振实现精密加工，导致侧壁上存在加工重叠或漏加工的现象。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提出一种激光加工装置，以在对工件上侧壁与底壁夹角小于等于90°的侧壁进行表面处理时，减少加工重叠和漏加工的现象。

本申请实施例提供一种激光加工装置，用于加工工件，所述激光加工装置包括激光源、变焦组件、振镜组件和反射组件；激光源用于发射激光；变焦组件包括多个透镜组，用于对所述激光源所发射的所述激光进行会聚；振镜组件用于接收经所述变焦组件所出射的所述激光，以使得所述激光以预设角度出射；反射组件设置于所述振镜组件与所述工件之间，所述反射组件包括多个反射镜，用于接收经所述振镜组件所出射的所述激光，并将所述激光反射至所述工件，改变所述激光的方向以对所述工件进行加工；其中，多个所述透镜组之间的距离可调整，用于调整所述变焦组件的主面位置，进而调整反射至所述工件的焦点位置。

上述激光加工装置在使用时，通过变焦组件对激光源所发射的激光进行会聚，使得激光以会聚光束的形式入射至振镜组件，振镜组件接收经变焦组件出射的激光并改变激光的方向，使得激光以预设角度出射，反射组件接收经振镜组件出射的激光并将激光反射至工件上，改变激光的方向以对工件进行加工，从而实现对工件的激光加工作业；这其中，激光反射至工件上的聚焦光斑大小会随着工件上侧壁的高度差发生变化，变焦组件的多个透镜组之间的距离还可进行调整，以调整变焦组件的主面位置，进而调整反射至工件的聚焦光斑的位置，使得激光能够随着工件上侧壁的高度差变化而保持聚焦状态，避免因聚焦光斑的大小急剧变化而造成对工件的表面处理均匀性不够，进而影响加工品质。

在一些实施例中，多个所述反射镜呈环形均匀排布。

在一些实施例中，所述反射组件还包括多个驱动件，多个所述驱动件与多个所述反射镜一一对应，每个所述驱动件用于驱动对应的所述反射镜转动。

在一些实施例中，所述驱动件驱动所述反射镜转动，以使所述激光被所述反射镜反射的反射角范围为30°-65°。

在一些实施例中，所述反射镜上设有金属膜和介质膜中至少一者，所述金属膜的材料包括银，所述介质膜的材料包括氟化钙。

在一些实施例中，沿所述激光的发射方向，所述变焦组件包括：扩束透镜组，用于对所述激光源所发射的所述激光进行扩束；准直聚焦透镜组，用于对扩束后的所述激光进行准直以及一次会聚；聚焦透镜组，用于对准直以及一次会聚后的所述激光进行二次会聚，以使所述激光以会聚光线的形式出射；其中，所述准直聚焦透镜组和所述聚焦透镜组可相对所述扩束透镜组移动，以调整所述变焦组件的主面位置。

在一些实施例中，沿所述激光的发射方向，所述准直聚焦透镜组包括：第一镜片，用于对扩束后的所述激光进行准直，所述第一镜片为凸透镜；第二镜片，用于对准直后的所述激光的发散角进行修正以实现一次会聚，所述第二镜片为月牙形透镜。

在一些实施例中，所述扩束透镜组包括：第三镜片，用于对所述激光源所发射的所述激光进行扩束，所述第三镜片为月牙形透镜。

在一些实施例中，所述聚焦透镜组包括：第四镜片，用于对准直以及一次会聚后的所述激光进行二次会聚，所述第四镜片为凸透镜。

在一些实施例中，所述会聚光束的束腰的范围为42μm-49μm。

本申请的激光加工装置，通过变焦组件、振镜组件和反射组件之间的协同配合，激光加工装置能够实现对工件的侧壁的多角度、全方位的覆盖，激光加工装置能够对工件的侧壁进行加工，工件无需进行运动多次，减少因运动轴精度造成的激光拼接错误的现象，从而减少加工重叠和漏加工的现象；由于工件无需进行运动多次，以及激光具有快速响应的特性，可有效地缩短加工时间，降低制造成本；此外，通过调整多个透镜组之间的距离，变焦组件的主面位置可调，使得激光能够随着侧壁的高度差变化而保持聚焦状态，聚焦光斑的大小变化符合要求，提高聚焦光斑的均匀性，避免因聚焦光斑的大小急剧变化而造成对工件的表面处理均匀性不够，有利于提升加工品质。

附图说明

图1是本申请实施例提供的激光加工装置的示意图。

图2是图1所示的激光加工装置的平面示意图。

图3是激光加工一种工件的示意图。

图4是激光加工另一种工件的示意图。

图5是激光加工又一种工件的示意图。

图6是激光加工装置的光路示意图。

主要元件符号说明

激光加工装置            100

激光源                  10

变焦组件                20

主面位置                22

扩束透镜组              24

第三镜片                242

准直聚焦透镜组          26

第一镜片                262

第二镜片                264

聚焦透镜组              28

第四镜片                282

振镜组件                30

反射组件                40

反射镜                  42

驱动件                  44

工件                    200a、200b、200c

内侧壁                  202、204、206

底壁                    203、205、207

光轴                    300

焦平面                  400

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，需要说明的是，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

相关技术中，在对工件上侧壁与底壁夹角小于等于90°的侧壁进行表面处理时，需要利用多轴运动机构带动工件运动多次，以使激光对工件上的侧壁进行表面处理。由于多轴运动机构在每次运动完成后因轴的精度发生变化会造成工件位置的误差，导致工件的侧壁进行表面处理时存在有拼接错误，导致工件的侧壁上的部分区域存在加工重叠或漏加工的现象，影响加工效果，并且，由于需要多轴运动机构带动工件运动多次，还会增加加工时间，增加制造成本。

以下将结合附图对本申请的一些实施例进行详细说明。

请参阅图1，本申请一些实施例提供了一种激光加工装置100。激光加工装置100用于加工工件。其中，工件可以为三维结构，例如图3所示的宽口形的工件200a、图4所示的圆筒形的工件200b、及图5所示的窄口形的工件200c，显然，工件还可以为立方体、球形或其他形状的物件。

请结合参阅图1和图2，激光加工装置100包括激光源10、变焦组件20、振镜组件30和反射组件40。

具体的，激光源10用于发射激光。变焦组件20包括多个透镜组，变焦组件20用于对激光源10所发射的激光进行会聚，使得激光以会聚光束的形式从变焦组件20出射。振镜组件30用于接收变焦组件20所出射的激光，以使得激光以预设角度出射。反射组件40设置于振镜组件30与工件之间，反射组件40包括多个反射镜42，反射镜42用于接收经振镜组件30所出射的激光，并将激光反射至工件，通过改变激光的方向以对工件进行加工。其中，多个透镜组之间的距离可调整，通过调整多个透镜组之间的距离，用于调整变焦组件20的主面位置22(请参阅图6)，进而调整反射至工件的焦点位置。图1中，激光最后经反射组件40反射至焦平面400上，焦平面400与光轴300相垂直。

上述激光加工装置100在使用时，激光源10发射激光，激光入射至变焦组件20，变焦组件20对激光源10所发射的激光进行会聚，使得激光以会聚光束的形式入射至振镜组件30，振镜组件30接收经变焦组件20出射的激光并改变激光的方向，使得激光以预设角度出射并入射至反射组件40的相应的反射镜42，反射镜42接收经振镜组件30出射的激光并将激光反射至工件的内侧壁上，同时，激光以会聚形式聚焦于工件的内侧壁上，通过改变激光的方向以对工件的内侧壁进行加工，从而实现对工件的内侧壁的激光加工作业。这其中，激光通过反射组件40的反射镜42反射至工件的内侧壁上，由于工件为图3、图4或图5所示的三维结构，激光反射至工件的内侧壁上的聚焦光斑会随着工件上内侧壁的高度差发生变化，具体表现为聚焦光斑大小发生变化，变焦组件20的多个透镜组之间的距离相应进行调整，以调整变焦组件20的主面位置22，进而调整反射至工件的焦点位置，使得激光能够随着工件上内侧壁的高度差变化而在工件的内侧壁上保持聚焦状态，具体表现为聚焦光斑大小变化率符合要求，从而提高聚焦光斑均匀性，避免因聚焦光斑大小急剧变化而造成对工件的内侧壁的表面处理均匀性不够，减少加工重叠和漏加工的现象，有利于提高加工品质。

可以理解地，激光源10作为激光输出头，用于被驱动发射激光光束，优选地，激光源10在不同的应用场景下，可选择不同的激光输出功率。

在一些实施例中，多个反射镜42呈环向均匀排布，且倾斜设置，本实施例中，反射镜42的数量为四个。如此，通过均匀排布多个反射镜42，使得激光通过反射组件40的多个反射镜42的反射能够全方位地入射至工件的内侧壁上，以便于对工件的内侧壁进行全方位、全覆盖的激光加工；通过倾斜设置反射镜42，反射镜42的偏振效应小；另外，通过均匀设置多个反射镜42，激光可在焦平面400上对20mm范围内的工件进行激光加工。

在另一些实施例中，反射镜42的数量还可以为更多个，例如为六个、八个、十个等。可以理解的是，反射镜42的数量越多，越能提升激光加工的精细度，但同时控制多个反射镜42的运动也会相对更复杂一些，可综合评估加工的精细度和反射镜42的控制复杂性，选择合适数量的反射镜42。

在一些实施例中，每个反射镜42上设有金属膜和介质膜中至少一者，例如，反射镜42上设有两层金属膜和两层介质膜，或者，反射镜42上设有三层介质膜，或者，反射镜42上设有三层金属膜，金属膜的材料包括银，介质膜的材料包括氟化钙。如此，通过在反射镜42上设置金属膜和介质膜中至少一者，以提高反射镜42的反射率，减少激光的衰减，提高激光在加工时的功率。

在一些实施例中，反射组件40还包括多个驱动件44，多个驱动件44与多个反射镜42一一对应，每个驱动件44用于驱动对应的反射镜42转动或偏转，以使激光被反射镜42反射的反射角范围为30°-65°。如此，通过设置驱动件44，以驱动反射镜42转动或偏振，从而提高反射镜42反射激光的角度，使得激光能够以设定的反射角入射至工件的内侧壁；此外，通过限定激光被反射镜42反射的反射角范围为30°-65°，使得反射镜42的反射率能够大于等于99％，从而极大地提高反射镜42的反射率。另外，驱动件44驱动反射镜42转动或偏振并与振镜组件30协同配合，从而进一步扩展激光可入射工件的内侧壁的角度，以便于全方位、全覆盖地对工件进行激光加工作业。需要说明的是，振镜组件30通过音圈马达驱动X向振镜片和Y向振镜片偏转，从而使激光得方向发生偏转，本申请实施例对振镜组件30的相关结构不再进行详细的阐述。

在一具体的实施方式中，驱动件44可以为音圈马达。

在另一些具体的实施方式中，驱动件44还可以为电机、记忆合金等能够驱动反射镜42转动或偏转的功能性机构。

请参阅图3，激光加工装置100在加工如图3所示的宽口形工件200a时，其内侧壁202与底壁203形成外扩形结构(内侧壁202与底壁203的夹角为钝角)其内侧壁202与光轴300之间的夹角d为10°或者也可以小于10°，激光经变焦组件20、振镜组件30、反射镜42入射至宽口形的工件200a的内侧壁上，通过振镜组件30、驱动件44驱动反射镜42转动以改变激光的入射方向，并在变焦组件20的配合下，使得激光能够入射至内侧壁202的任意位置上且激光于工件200a的内侧壁202的任意位置均能够保持聚焦状态，从而全方位地、全覆盖地、有效地对工件200a的内侧壁202进行激光加工。普通只有聚焦系统和振镜系统的激光无法加工内侧壁202与光轴300之间的夹角d≤10°的工件。需要说明的是，当其内侧壁202与光轴300之间的夹角d大于10°时，本实施例的激光加工装置100仍然能够实现对工件200a的激光加工。

请参阅图4，激光加工装置100在加工如图4所示的圆筒形的工件200b时，其内侧壁204与底壁205围设呈类似圆柱形空间(内侧壁204与底壁205的夹角大约90°)，其内侧壁204与光轴300平行，激光经变焦组件20、振镜组件30、反射镜42入射至圆筒形的工件200b的内侧壁204上，通过振镜组件30、驱动件44驱动反射镜42转动以改变激光的入射方向，并在变焦组件20的配合下，使得激光能够入射至内侧壁204的任意位置上且激光于工件200b的内侧壁204的任意位置均能够保持聚焦状态，从而全方位地、全覆盖地、有效地对工件200b的内侧壁204进行激光加工。

请参阅图5，激光加工装置100在加工如图5所示的窄口形的工件200c时，其内侧壁206与底壁207之间的截面呈类似燕尾槽结构(内侧壁206与底壁207的夹角为锐角)，其内侧壁206与光轴300之间的夹角f为30°或者也可以为大于0°且小于90°的任意角度，激光经变焦组件20、振镜组件30、反射镜42入射至窄口形的工件200c的内侧壁206上，通过振镜组件30、驱动件44驱动反射镜42转动以改变激光的入射方向，并在变焦组件20的配合下，使得激光能够入射至内侧壁206的任意位置上且激光于工件200c的内侧壁206的任意位置均能够保持聚焦状态，从而全方位地、全覆盖地、有效地对工件200c的内侧壁206进行激光加工。可以理解地，在另一些实施例中，窄口形的工件200c的内侧壁206还可为朝远离光轴300方向凹陷的曲面，本申请的激光加工装置100仍然能够实现对内侧壁206为凹陷的曲面的窄口形的工件200c进行激光加工。

请参阅图6，在一些实施例中，沿激光的发射方向，变焦组件20包括扩束透镜组24、准直聚焦透镜组26和聚焦透镜组28。

具体的，扩束透镜组24用于对激光源10所发射的激光进行扩束。准直聚焦透镜组26用于对扩束后的激光进行准直以及一次会聚。聚焦透镜组28用于对准直以及一次会聚后的激光进行二次会聚，以使激光以会聚光线的形式出射。其中，准直聚焦透镜组26和聚焦透镜组28可相对扩束透镜组24移动，以调整变焦组件20的主面位置22。其中，主面位置22为入射激光与出射激光的延长线的交点汇集形成，主面位置22变化时，焦平面400也会随之发生变化。

相关技术中，主点和主面是理想光学系统中的专用术语，定义是光线通过这个点后，在其共轭空间中，轴向放大率不变的一对共轭点，把这些共轭点组合形成的一个垂直于主轴的面叫做主面，光线在两共轭的主面之间传播，主面是为了方便描述多个透镜组形成的光学系统所虚拟出来的一个面。在光学系统中，引入主面概念所带来的极大好处是，将实际光学系统用等效的理想光学系统取代后，实际系统的多次折射和反射，可以用主面处共轭光线方向的一次偏折来取代。

如此，通过移动准直聚焦透镜组26和聚焦透镜组28，从而调整变焦组件20的主面位置22，以使入射至工件的内侧壁的激光保持聚焦的状态，不会大范围的改变激光的有效焦距，激光在工件的内侧壁的不同位置均能够达到衍射极限的效果。通过改变变焦组件20的主面位置22，以增加激光加工装置100的工作距离，减少有效焦距的变化范围，从而减少聚焦光斑的变化率，提高聚焦光斑均匀性，从而提升激光加工的均匀性。其中，主面位置22的移动范围小于5mm，激光加工装置100能够实现变焦距离大于等于120mm的效果。

可以理解地，本实施例中，变焦组件20的主面位置22位于振镜组件30远离变焦组件20的一侧，以便于使得激光在经过振镜组件30及反射组件40后于工件上实现聚焦的效果。

在一具体的实施方式中，准直聚焦透镜组26和聚焦透镜组28分别通过音圈马达实现移动。

在一些实施例中，沿激光的发射方法，准直聚焦透镜组26包括第一镜片262和第二镜片264。第一镜片262用于对扩束后的激光进行准直，第一镜片262为凸透镜；第二镜片264用于对准直后的激光的发散角进行修正以实现一次会聚，第二镜片264为月牙形透镜。如此，通过设置准直聚焦透镜组26包括为凸透镜的第一镜片262和为月牙形透镜的第二镜片264，以实现准直和聚焦的效果。

扩束透镜组24包括第三镜片242，第三镜片242用于对激光源10所发射的激光进行扩束，第三镜片242为月牙形透镜。如此，通过设置扩束透镜组24包括为月牙形透镜的第三镜片242，使得扩束透镜组24实现扩束的效果。其中，第三镜片242可以采用熔融石英材料制备的镜片，以满足从10W-20000W高低功率应用。在具体的实施方式中，扩束透镜组24可选用固定变倍扩束镜，或者变倍扩束镜，变倍范围优选为1.5-10倍。

聚焦透镜组28包括第四镜片282，第四镜片282用于对准直以及一次会聚后的激光进行二次会聚，第四镜片282为凸透镜。如此，通过设置聚焦透镜组28包括为凸透镜的第四镜片282，使得聚焦透镜组28实现对激光进一步会聚的效果，以使激光以会聚的形式出射。

在一些实施例中，变焦组件20出射的会聚光束的束腰的范围可以为42μm-49μm。如此，通过限定会聚光束的束腰的范围，使得激光的聚焦光斑的变化率小于15％，避免出现因聚焦光斑大小急剧变化而造成对工件的表面处理均匀性不够的现象。

本申请实施例提供的激光加工装置100，通过变焦组件20、振镜组件30和反射组件40之间的协同配合，激光加工装置100能够实现对工件的多角度、全方位的覆盖，激光加工装置100能够对工件的内侧壁进行激光加工，工件无需由多轴运动机构进行运动多次，相较于相关技术，减少因运动轴精度造成的激光拼接错误的现象，从而减少加工重叠和漏加工的现象；由于工件无需由多轴运动机构进行运动多次，以及激光具有快速响应的特性，可有效地缩短加工时间，降低制造成本；此外，通过调整多个透镜组之间的距离，变焦组件20的主面位置22可调，焦平面400可随着主面位置22的位置调整而调整，使得激光能够随着工件的内侧壁的高度差变化而保持聚焦状态，聚焦光斑的大小变化率符合要求，有利于提高聚焦光斑的均匀性，避免因聚焦光斑大小急剧变化而造成对工件的表面处理均匀性不够，有利于提升加工品质。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，用于加工工件，所述激光加工装置包括：

激光源，用于发射激光；

变焦组件，包括多个透镜组，用于对所述激光源所发射的所述激光进行会聚；

振镜组件，用于接收经所述变焦组件所出射的所述激光，以使得所述激光以预设角度出射；

反射组件，设置于所述振镜组件与所述工件之间，所述反射组件包括多个反射镜，用于接收经所述振镜组件所出射的所述激光，并将所述激光反射至所述工件，改变所述激光的方向以对所述工件进行加工；

其中，多个所述透镜组之间的距离可调整，用于调整所述变焦组件的主面位置，进而调整反射至所述工件的焦点位置。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，多个所述反射镜呈环形均匀排布。

3.如权利要求2所述的激光加工装置，所述反射组件还包括多个驱动件，多个所述驱动件与多个所述反射镜一一对应，每个所述驱动件用于驱动对应的所述反射镜转动。

4.如权利要求3所述的激光加工装置，所述驱动件驱动所述反射镜转动，以使所述激光被所述反射镜反射的反射角范围为30°-65°。

5.如权利要求1所述的激光加工装置，所述反射镜上设有金属膜和介质膜中至少一者，所述金属膜的材料包括银，所述介质膜的材料包括氟化钙。

6.如权利要求1所述的激光加工装置，沿所述激光的发射方向，所述变焦组件包括：

扩束透镜组，用于对所述激光源所发射的所述激光进行扩束；

准直聚焦透镜组，用于对扩束后的所述激光进行准直以及一次会聚；

聚焦透镜组，用于对准直以及一次会聚后的所述激光进行二次会聚，以使所述激光以会聚光线的形式出射；

其中，所述准直聚焦透镜组和所述聚焦透镜组可相对所述扩束透镜组移动，以调整所述变焦组件的主面位置。

7.如权利要求6所述的激光加工装置，沿所述激光的发射方向，所述准直聚焦透镜组包括：

第一镜片，用于对扩束后的所述激光进行准直，所述第一镜片为凸透镜；

第二镜片，用于对准直后的所述激光的发散角进行修正以实现一次会聚，所述第二镜片为月牙形透镜。

8.如权利要求6所述的激光加工装置，所述扩束透镜组包括：

第三镜片，用于对所述激光源所发射的所述激光进行扩束，所述第三镜片为月牙形透镜。

9.如权利要求6所述的激光加工装置，所述聚焦透镜组包括：

第四镜片，用于对准直以及一次会聚后的所述激光进行二次会聚，所述第四镜片为凸透镜。

10.如权利要求1所述的激光加工装置，所述会聚光束的束腰的范围为42μm-49μm。

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