CN201970014U

CN201970014U - 激光表面加工装置

Info

Publication number: CN201970014U
Application number: CN 201120014245
Authority: CN
Inventors: 张志杰
Original assignee: 施政辉
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-01-18

Abstract

本实用新型涉及工件表面的激光处理技术，公开了一种激光表面加工装置，内置的激光源发射出的M路激光束，经分光装置分光后，形成沿时间轴分布的、循环照射的M×N组激光，M×N组激光经折反光学装置改变方向后投射到工件表面，本实用新型能保证激光源处于持续工作状态，延长了激光源的使用寿命，提高了激光源的利用率，同时也提高了表面加工的效率；其中M≥1，N≥2。

Description

激光表面加工装置

技术领域

本实用新型涉及工件表面的激光处理技术，更具体地说，是涉及一种激光表面加工装置。

背景技术

目前激光的应用领域越来越多，有一类激光加工是以点或孔的排布为主的激光加工领域，就是把这些点或孔，按照一定排布方式延伸到一个区域。如果逐点加工，激光源发出的激光使用效率太低，以致影响到应用，甚至为了提高效率，降低了激光加工点的质量或密度。在这些应用领域现在通常采用激光脉冲工作方式，由于加工点和点之间是断开的，断开区域对激光是关断状态，所以激光加工是通、断交替过程，这个就是激光器脉冲加工方式。

在实际激光点加工中，我们通常需要的点的形貌是以圆心对称的形貌点，如果我们采取逐点停下来加工，只能实现较慢的效率，再高的加工效率，只能采用在运动轨迹中，控制激光出光与不出光，来完成点的加工。这样就出现一种问题：见下图：图1是在激光在关断中的时序中在加工面上形成的激光路径，由于激光有热效应，均匀向外扩张一段区域见图2中，实际出现在加工面上的加工痕迹外廓图形见图2，我们发现，出现的点是细长条外貌。如果要做出比较圆的形貌点，就要较小△x₁，我们知道△x₁=△t₁×运动速度。图3是取△t₁四分之一的形貌点形貌，如果把运动速度也降到四分之一，同样能形成图3的形貌点，此处形貌点圆度高多了，如果把△t₁和运动速度再降低，形貌点会更加圆。减少△t₁数值，加工形貌点具有较好的圆度，但在保证点的能量的前提下，必须加大激光功率，加大激光功率肯定不是技术人员所希望的。另外时间△t₁减少，功率加大，在点的形成过程已经出现被加工物体的气化和爆炸现象，（注解：如果需要这样的气化和爆炸点，本实用新型同样可以实现，而且效率同样会提高），这样的毛化点或形貌造型点的形貌是带毛刺和比较锐利的，这样的毛化点或形貌造型点耐磨性不好，对降低摩擦力也是不利的。如果减少运动速度，会带来加工速度大幅的降低。这些因数已经严重的限制了这类技术的使用和推广，如激光毛化或形貌造型应用领域。激光毛化或形貌造型技术是利用激光在物体表面加工非常微小的点，这些点有凸凹等形貌，在极高的加温和冷却速度的情况下，这些凸凹点的淬火硬度可以做到极高，这些点是密集排布，毛化或形貌造型的表面能改变面与面的之间的摩擦性能，既可以提高摩擦系数，也可以降低摩擦系数，同样也可以提高摩擦件的使用寿命，这与毛化点的形貌、硬度及分布密度有关系，如发动机的活塞，摩擦面经过毛化或形貌造型处理的摩擦寿命能大幅或成倍的提高，大大延长发动机的使用寿命，提高的多少，和点的形貌有非常大的关系，形貌点的不好，如有毛刺和比较锐利的形貌点，可能是反作用，致使这项技术无法实施。工件表面摩擦性能、硬度等物理性能与加工点的形貌有关系。激光源的使用寿命和利用率与激光源关断频率高低有关系；为了追求比较圆或或质量比较高的的形貌点，激光器需要保持较高的关断频率，这导致的激光源的具有较低使用寿命和较低使用效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种激光表面加工装置。

激光表面加工装置，包括发射M路激光束的激光源、将每路激光束分切成沿时间轴分布、循环照射的N组激光的分光装置，分光装置包括将M路激光束形成循环扫描激光的扫描光学装置、改变循环扫描激光方向的折反光学装置，其中M≥1，N≥2。

进一步地，所述激光表面加工装置还包括聚焦光学装置，所述分光装置输出的M×N组激光经聚焦光学装置聚焦后输出。

进一步地，所述聚焦光学装置是P个聚焦镜片，其中M×N＞P≥1。

进一步地，所述聚焦光学装置是可调节位置、能将M×N组激光聚拢或发散的光学元件。

进一步地，所述折反光学装置是具有M×N个面的反射镜或M×N个反射镜或M×N个折射镜。

激光表面加工方法，激光源发射M路激光束，每路激光束经分光装置分光后，形成沿时间轴分布、循环照射的N组激光，M×N组激光作用于相对运动的工件表面，其中M≥1，N≥2。

进一步地，所述分光装置包括用形成循环扫描激光的扫描光学装置、改变循环扫描激光方向的折反光学装置。

更进一步地，所述折反光学装置是具有M×N个面的反射镜或M×N个反射镜或M×N个折射镜。

进一步地，所述扫描光学装置是具有回转功能或往复功能的镜片；更具体的，所述扫描光学装置是摆动镜。

进一步地，所述扫描光学装置是可转动的、镜面按照周期或圆周分布的多面镜。

进一步地，M×N组激光经聚焦光学装置聚焦后作用于工件表面。

更进一步的，所述聚焦光学装置是可调节位置、能将M×N组激光聚拢或发散的光学元件，通过调节所述聚焦光学装置从而改变工件表面激光光斑大小或激光加工点的分布密度。特别地，所述聚焦光学装置根据工件表面距离实时调节激光光斑大小或激光加工点的分布密度。

用激光改变物体表面摩擦状态的方法，其采用了前述任一激光表面加工方法。

本实用新型提供的激光表面加工装置具有如下优点：

1、由于本实用新型中的分光技术能克服了激光源间歇式工作的技术缺陷，能保证激光源处于持续工作状态，延长了激光源的使用寿命，提高了激光源的利用率，同时也提高了表面加工的效率。2、本实用新型中的聚焦光学装置中的聚焦光学元件位置可调节技术，能快速、方便地改变工件表面激光光斑大小、激光加工点的分布密度。3、工作中的激光表面加工装置能根据工件表面距离实时调剂聚焦光学装置，保证激光光斑大小、激光加工点的分布密度的一致性。4、具有回转功能或往复功能的镜片能在单周期内输出更加无序的激光加工点，能满足无序性表面毛化加工领域的特殊需求。

附图说明

图1是在激光在关断中的时序中在加工面上形成的激光路径图示；

图2是实际出现在加工面上的加工痕迹图示；

图3是△t₁是图2中△t₁四分之一时形貌点的形貌图示；

图4是激光表面加工装置原理图；

图5是多面镜反射激光束示意图；

图6是多面镜出光摆动范围的原理图；

图7是具有N个面的反射镜工作原理图；

图8是加工点在工件上的1000倍放大分布图

图9是实施例1表面加工痕迹；

图10是摆动镜工作原理图；

图11是实施例2表面加工痕迹；

图12是组合光学元件工作光路图；

图13是凹面镜工作原理图。

具体实施方式

实施例1

激光表面加工装置，如图4所示，包括发射3路激光束的激光源5、将每路激光束分切成沿时间轴分布的、循环照射的N组激光的分光装置（N≥2）、聚焦光学装置。分光装置包括将3路激光束形成循环扫描激光的扫描光学装置、改变循环扫描激光方向的折反光学装置。扫描光学装置具体为转动的的多面镜1；折反光学装置为3个具有N个面的反射镜2；聚焦光学装置是可调节位置、能将3×N组激光聚拢或发散的光学元件，本实施中光学元件具体选用凸透镜3。通过调节聚焦光学装置内部的位置调节机构（图4中未示出位置调节机构），实现凸透镜3位置的变化，从而实现改变工件表面激光光斑大小、激光加工点的分布密度的目的。

工作原理：激光表面加工装置的激光源发出的3路激光束照射在分光装置中的转动的多面镜上；如图5所示，3路激光束投射到转动的多面镜1上后，被多面镜1反射出，形成具有一定角度的激光扫描区域，即形成一出光摆动范围，多面镜1形成该出光摆动范围的原理图见图6；参阅图7，3个具有N个面的反射镜2的3×N个面设置在3路激光束出光摆动范围内，将摆动的激光分成3×N组并反射至凸透镜3，3×N组激光经凸透镜3聚焦后照射在待加工工件4的表面上形成3×N个加工点，图8是加工点9在工件4上的1000倍放大分布图；本实施例中的凸透镜3可根据加工点的工艺要求预先调整位置，使得改变工件表面激光光斑大小、激光加工点的分布密度。特别的，本实施例提供的装置还能加工具有凹凸不平加工表面的工件，聚焦光学装置能在加工过程中根据工件表面凹凸状态实时调整凸透镜3的位置，使得投射在工件表面的光斑保持一致大小，从而保证工件表面加工的一致性。

本实施例所提供的激光表面加工装置，在聚焦光学装置保持固定的情况下，投射到工件4表面上的加工痕迹具有图9所示的加工痕迹，这种加工痕迹在每个加工周期内高度有序排列。

实施例2

激光表面加工装置，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于, 分光装置中将3路激光束形成循环扫描激光的扫描光学装置不是采用转动的多面镜，取而代之的是往复摆动的摆动镜，摆动镜是一往复摆动的平面镜，其工作原理如图10所示，摆动镜6往复摆动将投射到摆动镜6上的激光反射出，形成夹角为θ的激光扫描区域。

本实施例提供的激光表面加工装置，在聚焦光学装置保持固定的情况下，投射到工件4表面上的加工痕迹具有图11所示的加工痕迹，在每个加工周期内这种加工痕迹与实施例1相比具有较高的无序性，这种单周期内加工痕迹无序性排列的方式在无序性表面毛化加工领域具有很好的工艺性能。

实施例3

激光表面加工装置，本实施例子与实施例1基本相同，不同之处在于, 聚焦光学装置的光学元件采用如图12所示的组合光学元件7，组合光学元件7是由多个光学元件组合而成的。

实施例4

激光表面加工装置，本实施例子与实施例1基本相同，不同之处在于, 聚焦光学装置的光学元件采用如图13所示的凹面镜8。

实施例5

激光表面加工方法，采用实施例1所提供的激光表面加工装置，激光表面加工装置的激光源发出的3路激光束照射在分光装置中的转动的多面镜上；如图5所示，3路激光束投射到转动的多面镜1上后，被多面镜1反射出，形成具有一定角度的激光扫描区域，即形成一出光摆动范围，多面镜1形成该出光摆动范围的原理图见图6；参阅图7，3个具有N个面的反射镜2的3×N个面设置在3路激光束出光摆动范围内，将摆动的激光分成3×N组并反射至凸透镜3，3×N组激光经凸透镜3聚焦后照射在运动的工件4的表面上，形成3×N个加工点。

实施例6

本实施例与实施例5基本相同，不同之处在于工件4的表面为不规则曲面，加工过程中聚焦光学装置的位置调节机构实时调节凸透镜3的位置保证激光投射到工件4表面的光斑大小及分布密度相同。

以上内容是结合具体实施例对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.激光表面加工装置，其特征是：包括发射M路激光束的激光源、将每路激光束分切成沿时间轴分布、循环照射的N组激光的分光装置，分光装置包括将M路激光束形成循环扫描激光的扫描光学装置、改变循环扫描激光方向的折反光学装置，其中M≥1，N≥2。

2.根据权利要求1所述的激光表面加工装置，其特征是：所述激光表面加工装置还包括聚焦光学装置，所述分光装置输出的M×N组激光经聚焦光学装置聚焦后输出。

3.根据权利要求1所述的激光表面加工装置，其特征是：所述聚焦光学装置是P个聚焦镜片，其中M×N＞P≥1。

4.根据权利要求1所述的激光表面加工装置，其特征是：所述聚焦光学装置是可调节位置、能将M×N组激光聚拢或发散的光学元件。

5.根据权利要求1所述的激光表面加工装置，其特征是：所述折反光学装置是具有M×N个面的反射镜或M×N个反射镜或M×N个折射镜。

6.根据权利要求1所述的激光表面加工装置，其特征是：所述扫描光学装置是具有回转功能或往复功能的镜片。

7.根据权利要求6所述的激光表面加工装置，其特征是：所述扫描光学装置是摆动镜。

8.根据权利要求1所述的激光表面加工装置，其特征是：所述扫描光学装置是可转动的、镜面按照周期或圆周分布的多面镜。