CN203391316U - 一种用于含有机材料管件的激光加工装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于含有机材料管件的激光加工装置，包括：激光器、激光准直扩束系统、激光加工头、控制系统、加工平台，激光经过激光准直扩束系统进行扩束，进入激光加工头中，聚焦后的激光被导入到放置在加工平台上的有机材料管件上，其特征在于：所述激光加工装置还包括有机材料管件的固定/旋转装置、加工废气吸气装置，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，在进行微小尺寸的加工时，加工面的粗燥度可得到改进，更适合塑料管件等含有机材料管件的精密加工。
Description
技术领域
本实用新型涉及采用激光技术进行材料加工，特别是一种采用2微米波长脉冲光纤激光器的塑料管件等含有机材料管件的切割、钻孔、焊接等的激光加工装置，属于激光加工技术领域。
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用于含有机材料管件的激光加工装置，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：一种用于含有机材料管件的激光加工装置，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，激光器发出的激光经过激光准直扩束系统进行扩束，扩束后的激光进入包括激光聚焦系统的激光加工头中，聚焦后的激光被导出到放置在加工平台上的有机材料管件上，所述激光装置还包括加工废气吸气装置、有机材料管件的固定/旋转装置，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。
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；激光加工头将激光聚焦到加工面上；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地不同而定；有机材料管件的固定/旋转装置可以在计算机控制下带动塑料管件等加工件的旋转以对管件的不同侧壁位置进行加工。
上述技术方案中，所述有机材料管件的固定/旋转装置设置在加工平台上，所述有机材料管件的固定/旋转装置包括偏心夹紧装置和旋转驱动装置。
进一步的技术方案，所述偏心夹紧装置包括带有外螺纹的套管和带有内螺纹的卡套，所述套管内径大于管件，所述套管和所述卡套中心不重合。
所述旋转驱动装置包括步进电机，所述步进电机与套管连接。
上述技术方案中，所述激光头可以是由激光聚焦光学系统和高压高速气体喷嘴组成，聚焦激光与高压高速气流共同从喷嘴中输出，气流也冲击到加工面相应的激光焦点上；所述激光头也可以是由高速激光扫描振镜和远心激光聚焦场镜组成，高速激光扫描振镜控制激光在加工面上的移动，远心激光聚焦场镜聚焦激光光束并保证聚焦激光光束垂直入射到加工表面。所述气体喷嘴设置在激光聚焦光学系统一侧，喷嘴口对准晶片；所述激光加工头和所述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对塑料管件等含有机材料管件进行切割、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管件或人血管可降解支架等加工件之间的距离（从而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管件和人血管可降解支架的切割、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；控制系统控制塑料管件或人血管可降解支架等加工件的移动和旋转或激光加工头的移动可以实现大幅面塑料管件的不同位置的加工或实现对不同尺寸和结构的可降解支架加工件的加工；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；同时控制系统根据加工工艺要求控制高压高速气体喷嘴的气流和位置，加工废气吸气装置根据指令及时排出加工过程中产生的废气，完成激光加工。
由于上述技术方案运用，本发明（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微米脉冲光纤激光对塑料管件等含有机材料管件进行加工的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,也更适合塑料管件等含有机材料管件的精密加工;相比目前比较常用的采用二氧化碳激光器、1微米激光光源的加工系统,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对塑料管件等含有机材料管件进行切割、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人血管可降解支架进行切割、钻孔等的激光加工装置原理图；
图3是有机材料管件的固定/旋转装置的原理图；
图4是偏心夹紧装置侧视图结构示意图。
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、有机材料管件的固定/旋转装置；7、加工废气吸气装置；8、晶片加工件；9、激光扫描振镜；10、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：图1中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中3，激光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微米激光聚焦到固定在有机材料管件的固定/旋转装置6并放置在加工平台5上的塑料管件等加工件8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的与放置塑料管件等加工件的加工平台5和有机材料管件的固定/旋转装置6连接，实现2微米脉冲光纤激光器1、激光加工头3和放置塑料管件加工件（固定在有机材料管件的固定/旋转装置6并放置在加工平台5上）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的工作状态和塑料管件等（加工平台5）的移动速度/位置；通过调节控制激光加工头3到塑料管件等之间的距离（从而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管件等的切割、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控制塑料管件等加工件8的移动和旋转或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中3的移动可以实现大幅面加工件不同位置的加工；控制系统4控制塑料管件等加工件8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），加工废气吸气装置7根据指令及时排出加工过程中产生的废气，完成激光加工。
实施例2：图2中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1产生的脉冲激光峰值激光功率大于2 kW，脉冲激光经过一个光纤耦合法拉第隔离器，法拉第隔离器的作用是防止反馈激光返回脉冲光纤激光器；2微米脉冲激光器1输出激光进入激光准直扩束系统2进行激光准直扩束，准直扩束后的2微米激光进入一个可移动由高速激光扫描振镜9和远心激光聚焦场镜10组成的激光加工头3，远心激光聚焦场镜的焦距为10到500毫米；可移动的激光加工头3在控制系统4控制下可以在人血管可降解支架加工件8上方多维移动；经过激光加工头3激光聚焦镜后的2微米激光聚焦到放置在一个加工平台5上的人血管可降解支架加工件8上(人血管可降解支架加工件8固定在有机材料管件的固定/旋转装置6并放置在加工平台5上)，有机材料管件的固定/旋转装置6可以在控制系统4控制下旋转从而实现人血管可降解支架不同位置的加工；控制系统4是通过激光加工控制卡与2微米脉冲激光器1、可移动由高速激光扫描振镜9和远心激光聚焦场镜10组成的激光加工头3与放置人血管可降解支架加工件8（包括人血管可降解支架加工件的旋转装置6）的加工平台5相联系，实现脉冲光纤激光器1、激光加工头3光束位置的移动和放置可降解支架加工件8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的位置和加工平台5（包括固定人血管可降解支架加工件8的有机材料管件的固定/旋转装置6）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加工件8之间的距离（改变激光聚焦系统激光焦点的位置）实现不同厚度和结构人血管可降解支架加工件8的切割、钻孔等加工，也可以通过激光聚焦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，所述人血管可降解支架的直径为0.1毫米到30毫米，支架的壁厚为10微米到3毫米。控制系统4控制可降解支架加工件8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、方孔和不规则孔入小长条；加工废气吸气装置6根据指令及时排出加工过程中产生的废气；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；完成人血管可降解支架加工件8的激光加工（如切割、钻孔等）。
Claims (8)
1.一种用于含有机材料管件的激光加工装置，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）、加工平台（5），激光器发出的激光经过激光准直扩束系统进行扩束，扩束后的激光进入包括激光聚焦系统的激光加工头中，聚焦后的激光被导出到放置在加工平台上的有机材料管件上，其特征在于：所述激光加工装置还包括有机材料管件的固定/旋转装置（6）、加工废气吸气装置（7），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所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，其特征在于：所述激光加工头（3）由高速激光扫描振镜和远心激光聚焦场镜组成，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所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，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，所述气体喷嘴设置在激光聚焦光学系统一侧，喷嘴口对准晶片。
4.根据权利要求1所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，其特征在于：所述激光加工头（3）和所述加工平台（5）之间具有沿着水平面方向相对运动的自由度。
5.根据权利要求1所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，其特征在于：所述有机材料管件的固定/旋转装置（6）设置在加工平台（5）上，所述有机材料管件的固定/旋转装置（6）包括偏心夹紧装置和旋转驱动装置。
6. 根据权利要求5所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，其特征在于：所述偏心夹紧装置包括带有外螺纹的套管和带有内螺纹的卡套，所述套管内径大于管件，所述套管和所述卡套中心不重合。
7. 根据权利要求5所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，其特征在于：所述旋转驱动装置包括步进电机，所述步进电机与套管连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于含有机材料管件的激光加工装置，其特征在于：所述加工废气吸气装置（7）设置在激光头一侧，气嘴对准晶片。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109383033A (zh) * | 2017-08-07 | 2019-02-26 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 一种oled屏的激光焊接封装方法及设备 |
| CN116141712A (zh) * | 2023-02-15 | 2023-05-23 | 中国民用航空飞行学院 | 基于激光可控加工的frp胶接维修几何构型实现方法 |
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