CN204209284U - 一种硬质材料激光深加工设备 - Google Patents

Abstract

一种硬质材料激光深加工设备，其包括：一高功率激光器，一低功率激光器，所述的高功率激光器和所述的低功率激光器发射出的激光光束经过一光路系统之后直接作用于工件表面，其中所述的光路系统沿激光光束照射方向依次包括：一扩束镜，一1/2波片，一偏振镜片，一振镜及场镜装置，一用于向工件表面吹气的吹气装置，所述的高功率激光器的功率大于100W，所述的低功率激光器的功率小于100W。本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备采用高功率激光器先对材料进行快速切割，然后采用低功率激光器对切割后的材料进行快速修补，以实现硬质材料的高效、高质量深加工，其加工质量高，效率高。

Description

一种硬质材料激光深加工设备

技术领域

本实用新型涉及激光切割精加工技术领域，尤其涉及一种硬质材料激光深加工设备。

背景技术

传统的硬质材料(如蓝宝石、陶瓷、碳化钨等)切割是采用金刚石刀直接接触的机械切割，该方法对于大尺寸材料的切割比较有效，但对于小尺寸材料的切割存在切口宽，效率低的缺点，且不宜进行异形加工的缺点，另外金刚石刀口容易磨损，材料去除率低，影响切割效率。

近年来，激光加工技术被广泛应用于硬材料的切割，尤其是小尺寸切割，激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射出的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而实现工件切开的一种热切割方法。现有的这种激光热切割方法的工作原理如附图1所示，其工作机理主要是激光光束聚焦材料表面，使得光子能量转换成化学能或热能把材料溅射出来。

更具体的，上述激光切割硬材料的方法为：首先，采用高功率激光器对硬质材料进行快速切割，该方法的主要优点包括：(1)非接触，避免刀具材料对加工材料的污染；(2)不存在工具磨损问题，易于实现自动化控制，提高切割效率；(3)激光的光斑小，能量密度高，切割速度快，因此切割质量较好；(4)可进行各种形状加工，满足器件的需要。

在上述激光加工方法中，主要采用百瓦级以上的高功率激光器(光纤或CO2)来实现硬质材料的高效切割，其解决了传统机械切割中存在的诸多问题，如避免了刀具对材料的污染、提高了加工效率、并在一定程度上提高了切割质量。但是，这种激光深加工由于是采用高功率激光完成，因此切割后切割面和边缘质量不够好，如存在粗糙、熔接残余等问题，需要进行复杂的后处理，以得到一个光滑和干净的切割面和边缘。复杂的后处理不仅增加了成本和时间，并且对于微区等的机械处理很难完成。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种硬质材料激光深加工设备，用于解决现有技术中硬质材料激光切割时，特别是微小切割时，在切割面产生粗糙，熔接残余的问题。

为达到上述目的，本实用新型所提出的技术方案为：

本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备，其包括：一高功率激光器，一低功率激光器，所述的高功率激光器和所述的低功率激光器发射出的激光光波长相同，且激光光束经过一光路系统之后直接作用于工件表面，其中所述的高功率激光器发射出激光光束所经过的光路系统沿激光光束照射方向依次包括：一扩束镜，一偏振镜片，一振镜及场镜装置，所述的低功率激光器发射出激光光速所述经过的光路系统沿激光照射方向依次包括：一扩束镜，一1/2玻片，一偏振镜片，以及一振镜与场镜装置；一用于向工件表面吹气的吹气装置，所述的高功率激光器的功率大于100W，所述的低功率激光器的功率小于100W。

一种硬质材料激光深加工设备，其包括：一高功率激光器，一低功率激光器，所述的高功率激光器和低功率激光器发射出的激光波长不同，且激光光束经过光路系统之后直接作用于工件表面，其中所述的高功率激光器和所述低功率激光器发射出激光光束所经过的光路系统沿激光光束照射方向依次包括：一扩束镜，一振镜及场镜装置；一用于向工件表面吹气的吹气装置，所述的高功率激光器的功率大于100W，所述的低功率激光器的功率小于100W。

其中，所述的高功率激光器和所述的低功率激光器的波长优选地为1064nm。

其中，所述的高功率激光器为光纤激光器或CO2激光器、或者固态激光器，波长优选地为1064nm，脉冲宽度为纳秒级别。

其中，所述的低功率激光器为Nd:YAG、YVO4、YLF型固态激光器，波长优选地为1064nm，脉冲宽度为亚纳秒、皮秒或飞秒级别，即为短脉冲或超短脉冲激光器。

其中，还包括一激光器控制及冷却系统，一用于工件的控制及操作系统。

与现有技术相比，本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备及加工方法采用高功率激光器先对材料进行快速切割，然后采用低功率激光器对切割后的材料进行快速修补，以实现硬质材料的高效、高质量深加工，其加工质量高，效率高。

附图说明

图1为现有的一种硬质材料激光深加工设备的结构图；

图2为本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备采用相同波长激光器的结构示意图；

图3为本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备采用不同波长激光器的结构示意图；

图4为本实用新型的一种硬质材料激光深加工方法的流程图；

图5为本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备的第一步加工示意图；

图6为本实用新型的一种硬质材料激光深加工设备的第二步加工示意图。

具体实施方式

以下参考附图，对本实用新型予以进一步地详尽阐述。

请参阅图1至附图6，本实用新型一种能够对硬质材料进行高效率、高质量深加工的激光切割机及加工方法，请参阅附图2和附图3，一种硬质材料激光深加工设备包括：一高功率(>百瓦级)激光器、一低功率(<百瓦级)激光器、与之相匹配的光学路径、振镜及场镜，两个激光器和与之相对应的光学器件共同在同一设备上，有一共同的加工平台，当然，设备还包括支撑光学器件的机械结构、冷却系统、供气系统、电源、控制系统等必要结构。上述的激光加工设备通过两种不同的激光光束对硬质材料进行加工，通过两种激光的配合实现硬质材料的深加工，使得硬质材料切割后具有较好的切割面和边缘质量，同时降低了加工成本和周期。

实施例1

请参阅附图2，附图2为本实用新型的第一实施例的一种硬质材料激光深加工设备的结构图，该硬质材料激光深加工设备包括：两发射相同波长的激光器102和109(此处设定该激光为P型偏振光)，102为高功率激光器，109为低功率激光器，其中所述的激光器102为功率大于100W的激光器，所述激光器109为功率小于100W的激光器；分别设于所述高功率激光器102和低功率激光器109前端的第一扩束镜103和第二扩束镜1010，其中所述的第一扩束镜103和所述的第二扩束镜1010可称之为扩束镜。所述的高功率激光器102发射出激光经过第一扩束镜103之后射向一偏振镜片104。经过所述偏振镜片104之后的激光光束射向一反射镜105，所述的反射镜105反射之后的激光光束经过一反射镜106二次反射进入一振镜及场镜装置107。经过所述振镜及场镜装置107之后的激光光束射向位于工作台1012上的待加工件。其中，所述的直接作用于待加工件的激光光束101旁边还设有一吹气装置108，所述的吹气装置108用于吹走加工件被切割部位的废料，其二，该吹气装置108可吹送多种惰性气体，如氮气等，用于保护切割面处不被氧化，其三是，该吹气装置108可带走加工表面处的热量，提高加工质量，其四是，该吹气装置108可吹送助燃气体，如氧气，以加快切割速度。

参阅附图2，在该实施例中，另一低功率激光器109发射出的激光经过一第二扩束镜1010之后，先射向一1/2玻片1041，之后射向一反射镜1011，经过反射镜1011改变激光光束方向之后，激光光束射向所述的偏振镜片104。经过偏振镜片104之后的激光光束再次经过与上述高功率激光器102发射出的激光光束行走相同的光路之后从振镜及场镜107处射出，并直接作用于待加工的工件表面。更具体的，所述的低功率激光器109发射出的激光光束经过偏振镜片104之后，依次经过反射镜105和二次反射的反射镜106之后进入振镜及场镜装置107，经过振镜及场镜装置107处理之后的激光光束同样作用于待加工工件的表面。其中，所述的直接作用于待加工件的激光光束101旁边还设有一吹气装置108，所述的吹气装置108用于吹走加工件被切割部位的废料，其二，该吹气装置108可吹送多种惰性气体，如氮气等，用于保护切割面处不被氧化，其三是，该吹气装置108可带走加工表面处的热量，提高加工质量，其四是，该吹气装置108可以吹送助燃气体，如氧气，以加快切割速度。但是，所述高功率激光器102和低功率激光器109分时段工作，并对待加工的工件进行不同步骤的处理。其中所述的扩束镜103或1010，偏振镜片104，以及反射镜105或/和反光镜106，以及振镜及场镜装置107可称之为一光路系统。

在实际加工过程中，激光器、光路系统及平台均由操作系统控制。其中高功率激光器102和低功率激光器109的类型(包括波长、脉宽、频率以及功率)可根据具体材料及加工需求进行选择，功率和脉宽不同，高功率激光器102功率大于百瓦级别，低功率激光器109功率小于百瓦级别。其中，所述的高功率激光器102和低功率激光器109的波长优选地为1064nm，高功率激光器优选地为纳秒激光器，低功率激光器优选地为短脉冲或超短脉冲激光器。

其中在本实施例中需要说明的是，光路系统的具体结构可根据具体应用环境进行必要的调整，例如根据具体机台的设计，其中反射镜105、106可以去掉，通过位置调整使得激光光束直接入射到振镜中。本实施例只是其中一种实现方式，并不限制与此相同的结构。

其中，在本实施例中，该硬质材料激光深加工设备还包括一激光器控制及冷却系统1014，所述的激光器控制及冷却系统1014用于控制激光器的激光参数，以及工作状态等，所述的冷却系统用于对整个设备进行冷却处理。这里所述的冷却系统包括循环水冷却系统和冷风循环系统两者冷却方式。该硬质材料激光深加工设备还包括一控制及操作系统1013，该控制及操作系统1013用于控制工作台1012上工件的移动控制过程。

参阅附图4，在上述结构的硬质材料深加工设备的基础上，本实用新型还公开了一种能够对硬质材料进行高效率、高质量深加工的加工方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，用高功率激光快速切割待加工的硬质材料，使其形成所需的形状和结构(如附图5)。高功率激光光束由激光器102产生，并经由其光路系统(该光路系统包括扩束器103、偏振镜片104、反射镜105、振镜及场镜106)入射到加工平台上的待加工材料，选用适当的重复频率及移动速度对材料进行快速切割，在加工过程中采用吹气装置107对其进行吹气，以起到冷却和清理的作用。步骤S1的目的主要是实现硬质材料的快速切割，形成所需要的形状和结构，同时保证被加工材料或样品不要出现劈裂或其他不可修复的损伤。高功率激光器102功率可到百瓦级以上，加工效率很高，但是会由于高功率快速切割造成切割面和边缘的质量不好，出现粗糙和熔接残余。

步骤S2，用短波长或脉冲激光快速修补，除去粗糙和熔接残余，以形成平整和干净表面，如附图6所示。在第一步S1加工结束后，关掉高功率激光器102，调整样品的位置后打开低功率激光器109，此时激光光束101是由低功率激光器109产生，并经由其光路系统(该光路系统包括：扩束镜1010、1/2玻片1041，偏振镜片104、反射镜1011、反射镜105、振镜及场镜107)入射到加工平台1012上的待加工材料，选用适当的重复频率及移动速度对材料进行快速修补，在加工过程中采用吹气装置108对其进行吹气，以起到冷却和清理的作用。步骤S2的目的是对第一步加工后的材料进行进一步修补，得到平整和干净的加工表面，保证深加工后有好的切割面和边缘质量，但是不影响深加工的形状、形貌和结构。低功率激光器109的功率较低，因此能够对第一步加工后的切割面和边缘进行进一步修补，以获得好的切割面和边缘质量。其中，高功率激光器102可以为光纤、CO2或固态激光器，其波长优选地为1064nm，功率大于百瓦级；其中，高功率激光器109可以为Nd：YAG、YVO4、YLF等类型固态激光器，其波长优选地为1064nm，功率小于百瓦级。其中，高功率激光器的脉宽优选地为纳秒级别，低功率激光器的脉宽优选地为亚纳秒、皮秒或飞秒级别。

本实施例中公开了一种能够对硬质材料进行高效率、高质量深加工的激光切割机及加工方法，采用高功率激光器先对材料进行快速切割，然后采用低功率激光器对切割后的材料进行快速修补，以实现硬质材料的高效、高质量深加工。

实施例2

请参阅附图3，附图3为本实用新型的第二实施例的一种硬质材料激光深加工设备的结构图，该硬质材料激光深加工设备包括：两发射不同波长的激光器202和209，202为高功率激光器，209为低功率激光器，并且所述的高功率激光器202的波长较长，所述的低功率激光器209的波长较短。其中所述的激光器202为功率大于100W的激光器，所述激光器209为功率小于100W的激光器。分别设于所述高功率激光器202和低功率激光器209前端的第一扩束镜203和第二扩束镜2010，其中所述的第一扩束镜203和所述的第二扩束镜2010可称之为扩束镜。所述的高功率激光器202发射出激光经过第一扩束镜203之后射向一反射镜205，所述的反射镜205反射之后的激光光束经过一反射镜206二次反射进入一振镜及场镜装置207。经过所述振镜及场镜装置207之后的激光光束射向位于工作台2012上的带加工件。其中，所述的直接作用于待加工件的激光光束201旁边还设有一吹气装置2081，所述的吹气装置2081用于吹走加工件被切割部位的废料，其二，该吹气装置2081可吹送多种惰性气体，如氮气等，用于保护切割面处不被氧化，其三是，该吹气装置2081可带走加工表面处的热量，提高加工质量。其四是，该吹气装置2081可以吹送助燃气体，如氧气，以加快切割速度。

参阅附图2，在该实施例中，另一低功率激光器209发射出的激光经过一扩束镜2010之后，先射向一第一反射镜2011，然后射向一第二反射镜2061。经过所述的第二反射镜2061改变光路方向，经过所述的第二反射镜2061之后的激光光束射向一振镜及场镜装置2071中。经过所述振镜及场镜装置2071处理之后的激光光束20101直接作用于工作台2012上的待加工件。与上述相同，所述的激光光束20101的旁边设有一吹气装置208，所述的吹气装置208直接向待加工的工件表面吹气，所述的吹气装置208用于吹走加工件被切割部位的废料，其二，该吹气装置208可吹送多种惰性气体，如氮气等，用于保护切割面处不被氧化，其三是，该吹气装置208可带走加工表面处的热量，提高加工质量。其四是，该吹气装置可以吹送助燃气体，如氧气，以加快切割速度。

其中所述的扩束镜203或2010，反射镜206或/和反射镜2061，以及振镜及场镜装置207或2071可称之为一光路系统。

在实际加工过程中，激光器、光路系统及平台均由操作系统控制。其中高功率激光器202和低功率激光器209的类型(包括波长、脉宽、频率以及功率)可根据具体材料及加工需求进行选择，其中，高功率激光器202的波长优选地为1064nm，脉冲宽度优选地为纳秒级，功率大于百瓦级。低功率激光器209的波长优选地为355nm或者266nm，脉冲宽度优选地为亚纳秒、皮秒或飞秒级别，功率小于百瓦级。

其中在本实施例中需要说明的是，光路系统的具体结构可根据具体应用环境进行必要的调整，例如根据具体机台的设计，其中反射镜205、206可以去掉，通过位置调整使得激光光束直接入射到振镜中。本实施例只是其中一种实现方式，并不限制与此相同的结构。

其中，在本实施例中，该硬质材料激光深加工设备还包括一激光器控制及冷却系统2014，所述的激光器控制及冷却系统用于控制激光器的激光参数，以及工作状态等，所述的冷却系统用于对整个设备进行冷却处理。该硬质材料激光深加工设备还包括一控制及操作系统2013，该控制欲操作系统2013用于控制工作台2012上工件的移动搬运控制过程。

在本实施例中，高功率激光器202发出的激光光束与低功率激光器发出的激光光束分别通过一光路系统最终作用于待加工件的表面。其中所述的高功率激光器202与低功率激光器209的波长不同。

如图3为所涉及的激光加工设备的简单原理图，设备实际结构及布局要根据具体需求有所改动，但加工的基本原理不变。

参阅附图4，在上述结构的硬质材料深加工设备的基础上，本实用新型还公开了一种能够对硬质材料进行高效率、高质量深加工的加工方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，用高功率激光快速切割待加工的硬质材料，使其形成所需的形状和结构(如附图5)。高功率激光光束由激光器202产生，并经由其光路系统(该光路系统包括扩束器203、反射镜205、振镜及场镜207)入射到加工平台上的待加工材料，选用适当的重复频率及移动速度对材料进行快速切割，在加工过程中采用吹气装置207对其进行吹气，以起到冷却和清理的作用。步骤S1的目的主要是实现硬质材料的快速切割，形成所需要的形状和结构，同时保证被加工材料或样品不要出现劈裂或其他不可修复的损伤。高功率激光器202功率可到百瓦级以上，加工效率很高，但是会由于高功率快速切割造成切割面和边缘的质量不好，出现粗糙和熔接残余。

步骤S2，用短波长或脉冲激光快速修补，除去粗糙和熔接残余，以形成平整和干净表面，如附图6所示。在第一步S1加工结束后，关掉高功率激光器202，调整样品位置后打开低功率激光器209，此时激光光束20101是由低功率激光器209产生，并经由其光路系统(该光路系统包括：扩束器2011、反射镜2061、振镜及场镜2071)入射到加工平台2012上的待加工材料，选用适当的重复频率及移动速度对材料进行快速修补，在加工过程中采用吹气装置208对其进行吹气，以起到冷却和清理的作用。步骤S2的目的是对第一步加工后的材料进行进一步修补，得到平整和干净的加工表面，保证深加工后有好的切割面和边缘质量，但是不影响深加工的形状、形貌和结构。低功率激光器209的功率较低，因此能够对第一步加工后的切割面和边缘进行进一步修补，以获得好的切割面和边缘质量。其中，高功率激光器102可以为光纤、CO2或固态激光器，其波长优选地为1064nm，功率大于百瓦级；其中，低功率激光器209可以为Nd：YAG、YVO4、YLF等类型激光器，其波长可以为266nm-1064nm，其中优选266nm-355nm，功率小于百瓦级。

本实用新型公开了一种能够对硬质材料进行高效率、高质量深加工的激光切割机及加工方法，采用长波长高功率激光器先对材料进行快速切割，然后采用短波长低功率激光器对切割后的材料进行快速修补，以实现硬质材料的高效、高质量深加工。

本申请的硬质材料深加工设备的工作原理如下：

在同一机台上装两台不同类型激光器及对应光学器件和系统，利用操作系统使得平台移动以及对激光器的切换来完成所涉及的硬质材料两步深加工。其中激光器及光学系统的具体安装可根据实际加工需要进行调整，控制系统也可根据具体加工需要进行选择。

所涉及的激光加工设备中高功率激光对硬质材料的快速切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将材料快速割开。所涉及的高功率激光器一般在百瓦级别甚至以上，采用高的脉冲能量实现材料的高效率加工。

所涉及的激光加工设备中低功率激光器对第一步加工后的硬质材料进行快速修补是利用短波长激光快速去除第一步加工所产生的粗糙和熔接，该类激光所产生的热影响较小，能量较低，只采用激光能量将粗糙和熔接去除，而不影响第一步切割所形成的形状和结构，形成平整和干净的表面。

上述硬质材料深加工切割机中，可以实现在同一机台上实现硬质材料的两步加工，及快速切割和快速修补，首先采用高功率激光器对材料进行快速切割，形成所需要的形状和结构，然后采用低功率激光器对材料加工表面和边缘进行快速修补，形成平整和干净的表面。

上述内容，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限制本实用新型的实施方案，本领域普通技术人员根据本实用新型的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本实用新型的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种硬质材料激光深加工设备，其特征在于，包括：一高功率激光器，一低功率激光器，所述的高功率激光器和所述的低功率激光器发射出的激光光波长相同，且激光光束经过一光路系统之后直接作用于工件表面，其中所述的高功率激光器发射出激光光束所经过的光路系统沿激光光束照射方向依次包括：一扩束镜，一偏振镜片，一振镜及场镜装置，所述的低功率激光器发射出激光光速所述经过的光路系统沿激光照射方向依次包括：一扩束镜，一1/2波片，一偏振镜片，以及一振镜与场镜装置；一用于向工件表面吹气的吹气装置，所述的高功率激光器的功率大于100W，所述的低功率激光器的功率小于100W。

2.一种硬质材料激光深加工设备，其特征在于，其包括：一高功率激光器，一低功率激光器，所述的高功率激光器和低功率激光器发射出的激光波长不同，且激光光束经过光路系统之后直接作用于工件表面，其中所述的高功率激光器和所述低功率激光器发射出激光光束所经过的光路系统沿激光光束照射方向依次包括：一扩束镜，一振镜及场镜装置；一用于向工件表面吹气的吹气装置，所述的高功率激光器的功率大于100W，所述的低功率激光器的功率小于100W。

3.如权利要求1或2所述的硬质材料激光深加工设备，其特征在于，所述的高功率激光器为光纤激光器、CO2激光器、或固态激光器，波长优选为1064nm。

4.如权利要求1或2所述的硬质材料激光深加工设备，其特征在于，所述的低功率激光器为Nd:YAG、YVO4、YLF型固态激光器，波长可以为266nm-1064nm，优选为短脉冲或超短脉冲激光器。

5.如权利要求1或2所述的硬质材料激光深加工设备，其特征在于，还包括一激光器控制及冷却系统，以用于工件的控制及操作系统。

6.如权利要求1或2所述的硬质材料激光深加工设备，其特征在于，所述的高功率激光器和所述的低功率激光器的波长范围为266nm至1064nm。