CN203390386U

CN203390386U - 一种激光加工装置

Info

Publication number: CN203390386U
Application number: CN201320251869.4U
Authority: CN
Inventors: 蒋仕彬
Original assignee: SUZHOU TUSEN LASER CO Ltd
Current assignee: SUZHOU TUSEN LASER CO Ltd
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2023-05-10

Abstract

本实用新型公开了一种激光加工装置，特别是一种采用2微米波长脉冲光纤激光器的激光加工装置，包括激光器、激光准直扩束系统、激光加工头、控制系统和加工平台，激光器输出激光经过激光准直扩束系统和激光加工头导入到放置在加工平台的工件上，所述激光器是波长在1.7μm~2.2μm的脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器设有产生脉宽从100飞秒到900纳秒激光脉冲序列的脉冲控制模块。本实用新型采用脉冲光纤激光器作为加工光源，具有高效率、高可靠性、轻量化的优点，与现有技术相比具有更高的效率和更整齐的加工切面,加工截面烧蚀碳化更小，另外在进行微小尺寸的加工时，加工面的粗燥度也可以得到改进，也更适合塑料薄膜等的精密加工。

Description

一种激光加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光加工装置，特别是涉及一种采用2微米波长脉冲光纤激光器的激光加工装置，用于激光打标、切割、钻孔、焊接加工。

背景技术

塑料或含有机材料平面板材或表面增强玻璃板材的切割、钻孔、焊接等加工在现代工业和医疗器械设备领域是一项十分重要的加工工艺。

例如碳纤维增强复合材料（CFRP）的加工（如切割，钻孔等），碳纤维增强复合材料是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的碳纤维增强材料混合而成的二相或多相结构，是典型的难加工材料，碳纤维增强复合材料钻削加工中主要存在以下问题：材料硬度大，其制孔工艺复杂，对刀具和工艺参数的要求更高，因而钻孔时钻头磨损很快；在钻孔过程中，易产生分层等缺陷；材料属于各向异性材料，钻孔处的应力集中较大，极易引起劈裂等缺陷；热导率小，线胀系数和弹性恢复大；钻孔时，存在缩孔现象；切屑为粉尘状，对人体健康危害大。

例如可降解支架的加工，可降解支架是医学上一种用于治疗心血管疾病的器件，心血管疾病的主要病因是心血管的变窄或堵塞而造成血液循环困难，从而产生心绞痛，心肌梗死甚至出现生命危险。目前医学界针对这种病的治疗方法主要是将一种网状金属支架植入人体动脉狭窄的地方，将血管撑开，这种网状支架，通过外科手术植入人体，可以与人体溶为一体，称为人血管可降解支架。目前市场上用于可降解支架加工的激光主要是固体激光（如1微米YAG激光）和1微米波长光纤激光。固体激光由于光束质量原因支架加工缝隙不光滑，热影响区大，重要的是加工精度满足不了医学器件的要求；而1微米激光由于加工过程中的热烧蚀，这种加工光源也有其缺陷。

相比上述机械加工方法存在的严重缺陷，激光加工属于非接触式加工过程，比较适合含有机材料的塑料薄膜、碳纤维增强复合材料等和表面增强玻璃等材料的加工。目前比较常用的是采用二氧化碳激光器光源的激光焊接、钻孔和切割的加工方法，但采用二氧化碳激光往往容易造成加工截面烧蚀碳化，另外在进行微小尺寸的加工时，加工面的粗燥度也得不到保证。塑料薄膜、生物有机材料等含有OH- 的有机材料组成的薄膜和含有一些有机材料成分可降解支架（碳纤维增强复合材料含有较高数量的有机材料）等在2微米左右波长的高的吸收特性等使得2微米脉冲激光相比前述激光波长在这些材料的激光加工（如切割、钻孔、焊接等）中具有更好的加工性能和效率, 另外2微米是人眼安全波长。现有的脉冲2微米波长激光光源主要是固体激光器和采用非线性光学方法（如OPO 和OPA及差频等）产生的激光，但由于目前这些2微米高功率激光光源存在着稳定性可靠性差、昂贵、需要复杂的维护等缺点，所以使得2微米波长脉冲激光器在工业激光加工特别是在塑料加工等工业领域的大规模使用几乎是一个空白。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种采用2微米波长脉冲全光纤激光器作为激光加工光源，以弥补现有技术中激光加工波长的不足，满足一些对2微米波长激光有特殊吸收特性的材料与器件的激光加工的需求。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种激光加工装置，包括激光器、激光准直扩束系统、激光加工头、控制系统和加工平台，激光器输出激光经过激光准直扩束系统和激光加工头导入到放置在加工平台的工件上，所述激光器是波长在1.7μm～2.2μm的脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器设有产生脉宽从100飞秒到900纳秒激光脉冲序列的脉冲控制模块。

使用时，激光器输出的脉冲激光经过一个激光准直扩束系统进行激光准直扩束；准直扩束后的脉冲激光进入一个带有激光聚焦系统的激光加工头中，激光光学聚焦系统的焦距为10到500毫米；经过激光加工头后的激光光束垂直聚焦到塑料薄膜等加工件上；控制系统是通过计算机控制板与脉冲光纤激光器、激光加工头与放置塑料薄膜等加工件的加工平台相连接，实现脉冲光纤激光器、可移动激光加工头和塑料薄膜等加工件三者之间的同步和加工控制，完成激光加工。

上述技术方案中，所述的脉冲光纤激光器的脉冲宽度可以为纳秒（10-9秒）到皮秒（10-12秒）到飞秒（10-15秒）脉冲宽度，脉冲光纤激光器波长从1.7微米到 2.2微米,输出峰值激光功率大于2 kW。

上述技术方案中，脉冲光纤激光器输出的脉冲激光可以经过一个光纤隔离器后进入激光准直扩束系统进行激光准直扩束，光纤隔离器的功能是防止来自后续光路的反馈激光对脉冲光纤激光器的影响；激光加工头可以整体移动以适应大尺寸工件的加工要求；加工平台可以是一维，二维或三维可以移动的工作平台，根据加工件加工的目的不同而定。

上述技术方案中，所述激光加工头可以是由普通的高速激光扫描振镜和远心激光聚焦场镜构成，场镜的焦距从10毫米到500毫米；所述激光加工头也可以是由激光聚焦光学系统和高压高速气体喷嘴组成，激光聚焦光学系统的焦距从10毫米到500毫米。所述激光聚焦光学系统与气体喷嘴共中心轴连接；激光加工头和加工平台之间具有沿着水平面方向相对运动的自由度。

上述技术方案中，所述的采用脉冲光纤激光器进行塑料薄膜或含有机材料平面板材和表面增强玻璃板材的切割、钻孔、焊接等的激光加工装置，通过调节控制激光加工头到塑料薄膜等加工件之间的距离（改变激光聚焦系统的聚焦激光焦点的位置）实现对不同厚度和多层塑料薄膜和碳纤维增强复合材料及表面增强玻璃材料的切割、钻孔和焊接等加工，也可以通过焦点的调节实现不同的切割模式如完全切透，部分切透，也可以是选择性切割。由于由高速扫描激光振镜和远心激光聚焦场镜组成的激光加工头的加工范围比较小，比较适合小幅面工件或工件小尺寸加工范围的加工，因此控制系统控制塑料薄膜等加工件的移动或由高速扫描激光振镜和远心激光聚焦场镜组成的激光加工头的移动可以实现大幅面加工工件不同位置的加工；实现通孔,也可以是盲孔的加工,也可以实现不同形状和尺寸孔的加工；孔的形状可以是圆孔、方孔和不规则孔；通过选择不同焦距聚焦透镜的加工头，可以实现不同大小聚焦光斑，实现钻孔的直径大小或宽度为2微米到20毫米。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1．本实用新型是采用脉冲光纤激光器作为加工光源，具有高效率、高可靠性、轻量化的优点；

2．本实用新型专利的2微米脉冲光纤激光塑料薄膜或含有机材料平面板材或表面增强玻璃板材加工装置相比传统的机械加工和热加工方法具有更高的效率和更整齐的加工切面,也更适合塑料薄膜等板材的精密加工;相比目前比较常用的采用二氧化碳激光器光源的加工系统,2微米脉冲激光加工的截面烧蚀碳化更小，另外在进行微小尺寸的加工时，加工面的粗燥度也可以得到改进；

3．本激光加工装置所使用的2微米激光波长为人眼安全波长，是一种绿色环保的激光加工装置。

附图说明

图1是本专利一种采用2微米脉冲光纤激光器进行塑料薄膜或含有机材料平面板材或表面增强玻璃板材进行切割、钻孔、焊接等的激光加工装置原理图。

图2是本专利一种采用2微米脉冲光纤激光器对碳纤维增强复合材料进行切割、钻孔、焊接等的激光加工装置原理图。

图3是本专利一种采用2微米脉冲光纤激光器对表面增强玻璃进行切割、钻孔、焊接等的激光加工装置原理图。

图4是本专利一种采用2微米脉冲光纤激光器对可降解支架进行切割、钻孔、焊接等的激光加工装置原理图。

其中：1、脉冲光纤激光器；2、激光准直扩束系统；3、激光加工头；4、控制系统；5、加工平台；6、高速扫描场镜；7、远心激光聚焦场镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例1：

如图1所示，1为采用2微米波长的脉冲光纤激光器, 2微米脉冲光纤激光器输出激光脉冲, 激光功率大于2 kW , 脉冲激光经过激光准直扩束系统2进行激光光束准直扩束，准直扩束后的2微米激光进入激光加工头3，激光加工头3聚焦光学系统的焦距为10到500毫米；经过激光加工头3后的2微米激光聚焦到放置在加工平台5上的塑料薄膜等板材上；控制系统4是通过计算机激光加工控制卡与2微米脉冲激光器1、激光加工头3的与放置塑料薄膜等板材加工件的加工平台5连接，实现2微米脉冲光纤激光器1、激光加工头3和放置塑料薄膜等板材加工件的加工平台5三者之间的同步和加工控制，同时控制系统根据加工工艺要求控制激光加工头3的工作状态和塑料薄膜等板材（加工平台5）的移动速度/位置；通过调节控制激光加工头3到塑料薄膜等板材加工件之间的距离（改变激光聚焦系统的聚焦激光焦点的位置）实现不同厚度和多层塑料薄膜板材的切割、钻孔和焊接等加工，也可以通过焦点的调节实现不同的切割模式如完全切透，部分切透，也可以是选择性切割；控制系统4控制塑料薄膜等板材加工件的移动或激光加工头3的移动可以实现通孔,也可以是盲孔的加工；也可以实现不同形状和尺寸孔的加工，孔的形状可以是圆孔、方孔和不规则孔；通过选择不同焦距聚焦透镜的加工头，可以实现不同大小聚焦光斑，实现钻孔的直径大小或宽度为2微米到20毫米，完成激光加工（如切割、钻孔、焊接等）。

实施例2：

如图2所示，1为采用2微米波长的脉冲光纤激光器, 2微米脉冲光纤激光器输出激光脉冲, 激光功率大于2 kW , 脉冲激光经过激光准直扩束系统2进行激光光束准直扩束，准直扩束后的2微米激光进入由高速扫描激光振镜6和远心激光聚焦场镜7组成的激光加工头3，远心激光聚焦场镜7焦距为10到500毫米；经过远心激光聚焦场镜7后的2微米激光聚焦到放置在加工平台5上的碳纤维增强复合材料上；控制系统4是通过计算机激光加工控制卡与2微米脉冲激光器1、激光加工头3与放置碳纤维增强复合材料加工件的加工平台7连接，实现2微米脉冲光纤激光器1、激光加工头3的高速扫描激光振镜6和放置碳纤维增强复合材料加工件的加工平台5三者之间的同步和加工控制，同时控制系统4根据加工艺要求控制激光加工头3的工作状态和碳纤维增强复合材料（加工平台5）的移动速度/位置；通过调节控制激光加工头3到碳纤维增强复合材料之间的距离（改变激光聚焦系统的聚焦激光焦点的位置）实现不同厚度和尺寸碳纤维增强复合材料的切割、钻孔等加工，也可以通过焦点的调节实现不同的切割模式如完全切透，部分切透，也可以是选择性切割；由于由高速扫描激光振镜6和远心激光聚焦场镜7组成的激光加工头3的加工范围比较小，比较适合小幅面工件或工件小尺寸加工范围的加工，因此控制系统4控制碳纤维增强复合材料等加工件5移动或由高速扫描激光振镜6和远心激光聚焦场镜7成的激光加工头3的移动可以实现大幅面碳纤维增强复合材料加工工件不同位置的加工；控制系统4控制碳纤维增强复合材料加工件的移动或激光加工头3的移动可以实现穿透孔,也可以是非穿透孔的加工；也可以实现不同形状和尺寸孔的加工，孔的形状可以是圆孔、方孔和不规则孔；通过选择不同焦距聚焦透镜的加工头，可以实现不同大小聚焦光斑，实现钻孔的直径大小或宽度为2微米到60毫米，完成碳纤维增强复合材料的激光加工（如切割、钻孔等）。

实施例3：

如图3所示，1为采用2微米波长的脉冲光纤激光器, 2微米脉冲光纤激光器输出激光脉冲, 激光功率大于2 kW , 脉冲激光经过激光准直扩束系统2进行激光光束准直扩束，准直扩束后的2微米激光进入由激光聚焦光学系统和高压高速气体喷嘴组成的激光加工头3，激光聚焦光学系统的焦距为10到500毫米；经过激光聚焦光学系统后的2微米激光聚焦到放置在加工平台5上的表面增强玻璃上；控制系统4是通过计算机激光加工控制卡与2微米脉冲激光器1、激光加工头3的与放置表面增强玻璃加工件的加工平台5连接，实现2微米脉冲光纤激光器1、激光加工头3和表面增强玻璃加工件的加工平台5三者之间的同步和加工控制，同时控制系统4根据加工工艺要求控制激光加工头3的工作状态和表面增强玻璃（加工平台5）的移动速度/位置；通过调节控制激光加工头3到表面增强玻璃之间的距离（改变激光聚焦系统的聚焦激光焦点的位置）实现不同厚度和尺寸表面增强玻璃的切割、钻孔等加工，也可以通过焦点的调节实现不同的切割模式如完全切透，部分切透，也可以是选择性切割；控制系统4控制表面增强玻璃加工件的移动或激光加工头3的移动可以实现穿透孔,也可以是非穿透孔的加工；也可以实现不同形状和尺寸孔的加工，孔的形状可以是圆孔、方孔和不规则孔；通过选择不同焦距聚焦透镜的加工头，可以实现不同大小聚焦光斑，实现钻孔的直径大小或宽度为2微米到60毫米，完成表面增强玻璃的激光加工（如切割、钻孔等）。

实施例4：

如图4所示，1为采用2微米波长的脉冲光纤激光器, 2微米脉冲光纤激光器输出激光脉冲, 激光功率大于2 kW , 脉冲激光经过激光准直扩束系统2进行激光光束准直扩束，准直扩束后的2微米激光进入由高速扫描激光振镜6和远心激光聚焦场镜7组成的激光加工头3，远心激光聚焦场镜7焦距为10到500毫米；经过远心激光聚焦场镜7后的2微米激光聚焦到放置在加工平台5的人血管可降解支架上；控制系统4过计算机激光加工控制卡与2微米脉冲激光器1、激光加工头3与放置人血管可降解支架加工件的加工平台5连接，实现2微米脉冲光纤激光器1、激光加工头3高速扫描激光振镜6和人血管可降解支架加工件的加工平台5三者之间的同步和加工控制，同时控制系统4根据加工工艺要求控制激光加工头3的工作状态和人血管可降解支架（加工平台）的移动速度/位置；通过调节控制激光加工头3到人血管可降解支架之间的距离（改变激光聚焦系统的聚焦激光焦点的位置）实现不同厚度和尺寸人血管可降解支架的切割、钻孔等加工，也可以通过焦点的调节实现不同的切割模式如完全切透，部分切透，也可以是选择性切割；由于由高速扫描激光振镜6和远心激光聚焦场镜7组成的激光加工头3的加工范围比较小，比较适合小幅面工件或工件小尺寸加工范围的加工，因此控制系统4控制人血管可降解支架等加工件5的移动或由高速扫描激光振镜6和远心激光聚焦场镜7组成的激光加工头3的移动可以实现大幅面多个人血管可降解支架加工件不同位置的加工；控制系统4控制人血管可降解支架加工件的移动或激光加工头3移动可以实现穿透孔,也可以是非穿透孔的加工；也可以实现不同形状和尺寸孔的加工，孔的形状可以是圆孔、方孔和不规则孔；通过选择不同焦距聚焦透镜的加工头，可以实现不同大小聚焦光斑，实现钻孔的直径大小或宽度为2微米到60毫米，完成人血管可降解支架的激光加工（如切割、钻孔等）。

Claims

1.一种激光加工装置，包括激光器、激光准直扩束系统（2）、激光加工头（3）、控制系统（4）和加工平台（5），激光器输出激光经过激光准直扩束系统和激光加工头导入到放置在加工平台的工件上，其特征在于：所述激光器是波长在1.7μm～2.2μm的脉冲光纤激光器（1），所述脉冲光纤激光器（1）设有产生脉宽从100飞秒到900纳秒激光脉冲序列的脉冲控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述激光加工头（3）由扫描激光振镜（6）和远心激光聚焦场镜（7）组成，远心激光聚焦场镜的焦距为从10毫米到500毫米。

3.根据权利要求1 所述的一种激光加工装置，其特征在于：所述激光加工头（3）由激光聚焦光学系统和气体喷嘴组成，激光聚焦光学系统的焦距从10毫米到500毫米，所述激光聚焦光学系统与气体喷嘴共中心轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种激光加工装置，其特征在于：激光加工头（3）和加工平台（5）之间具有沿着水平面方向相对运动的自由度。