CN211991452U - 一种紫外皮秒激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种紫外皮秒激光加工装置，包括紫外皮秒激光器、可调平夹具、X‑Y移动平台以及依次布置在所述紫外皮秒激光器的输出光路上的第一反射镜、偏振器、第二反射镜、扩束镜、平顶光束整形器、第三反射镜、第四反射镜、合束镜、CCD镜头、孔径光阑和扫描振镜模组；所述可调平夹具包括底板、安装于底板上的纵截面为倒T形的支撑块以及安装于所述支撑块上的压紧块，所述底板固定安装于X‑Y移动平台上。本实用新型公开将扫描振镜模组和X‑Y移动平台相结合，突破了扫描振镜幅面限制，实现分割加工，拓展了材料的加工尺寸。扫描振镜的应用还可以实现超快的激光扫描速度和复杂的扫描路径，大大提高激光加工速度和加工柔性。

Description

一种紫外皮秒激光加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种紫外皮秒激光加工装置，属于激光精密加工制造技术领域。

背景技术

PBO纤维是一种具有高强度、高模量、低密度、优异的热稳定性和化学稳定性的合成纤维，被誉为“21世纪超级纤维”，以其作为纤维增强相的树脂基复合材料，由于其轻质高强的力学性能，抗弹防护特性好，能在高温下稳定工作等特点，在航空航天、武器装备和其它尖端科技领域取得了广泛应用。目前其加工方式仍然以传统的机械加工和直接纺织成型为主，难以满足越来越高的装配精度要求，在机械加工过程中还会出现刀具磨损、纤维损伤、基体结构应力破坏以及加工柔性差等问题，激光加工有望克服以上问题。激光加工是利用聚焦的高能量密度激光束照射材料，使其迅速熔化、汽化或化学降解，从而实现材料分离，达到加工目的。

紫外皮秒激光器凭借其高精度和最小热影响区的优点而获得更多的关注。因为它们基本都是光化学烧蚀，而且还可以通过衍射聚焦到最小的光斑尺寸。而红外皮秒激光器通常会提供更大的输出功率，从而带来更高的处理速度，两者相互补充，为不同加工对象的需求提供了更灵活的选择。与传统机械加工相比，采用激光加工PBO纤维增强复合材料优势明显：无应力加工，对材料结构破坏小，残余应力小；没有刀具磨损，加工成本低廉；激光聚焦光斑可达微米级别，加工精细程度大幅提高；加工柔性好，可通过扫描振镜控制激光束加工任意形状。根据实际需要，用激光加工PBO纤维增强复合材料是一种有益的尝试。但是，目前的紫外皮秒加工技术还不是很成熟，有待进一步的改进提高。

实用新型内容

实用新型目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本实用新型提供提供一种紫外皮秒激光加工装置，旨在高质量地加工PBO纤维增强复合材料，降低激光加工产生的热损伤过大等问题，提高PBO纤维增强复合材料的加工效率和加工柔性。

技术方案：一种紫外皮秒激光加工装置，包括紫外皮秒激光器，其特征在于：还包括可调平夹具、X-Y移动平台以及依次布置在所述紫外皮秒激光器的输出光路上的第一反射镜、偏振器、第二反射镜、扩束镜、平顶光束整形器、第三反射镜、第四反射镜、合束镜、CCD镜头、孔径光阑和扫描振镜模组；所述可调平夹具包括底板、安装于底板上的纵截面为倒T形的支撑块以及安装于所述支撑块上的压紧块，所述底板固定安装于X-Y移动平台上。

本实用新型进一步限定的技术方案为：所述底板和支撑块均为L形结构，所述底板和支撑块的两端和直角处设有螺纹孔，螺纹孔内旋接有螺柱。

作为优选，在所述底板和支撑块接触面的两侧和直角处分别开设有通孔，所述通孔内分别设有凹槽，所述通孔内设有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的两端分别卡在所述凹槽内。

作为优选，所述压紧块通过紧固件安装于所述支撑块的L形结构直角位置，且其纵截面为L形结构。

作为优选，还包括Z轴移动系统，所述Z轴移动系统包括立式直线电机模组和由直线电机模组驱动可上下移动的横梁，所述第四反射镜、合束镜、孔径光阑和扫描振镜模组从左至右依次安置于所述横梁上，所述合束镜向上呈45°置于第四反射镜之后，所述CCD镜头安置在合束镜正上方。

作为优选，所述平顶光束整形器设置于所述扩束镜的输出端，激光束经所述平顶光束整形器被整形成平顶光束后经过第三反射镜、第四反射镜进入Z轴移动系统；所述第三反射镜、第四反射镜与平面均呈45°设置。

作为优选，所述X-Y移动平台为一块固定在可沿X方向和Y方向移动的两组伺服电机模组上的面包板。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)将扫描振镜模组和X-Y移动平台相结合，突破了扫描振镜幅面限制，实现分割加工，拓展了材料的加工尺寸。扫描振镜的应用还可以实现超快的激光扫描速度和复杂的扫描路径，大大提高激光加工速度和加工柔性。

2)PBO纤维增强复合材料具有各向异性特征，激光扫描方向与复合材料中的纤维排布方向不同时，加工质量和加工效果都有显著不同，利用扫描振镜实现多道填充快速扫描，在不同扫描时刻设置不同的激光参数和扫描策略有利于保持PBO纤维增强复合材料的整体质量统一和加工速度均衡。

3)在装置中加入平顶光束整形器，将高斯光束整形成平顶光束，使脉冲能量分布更均匀，显著降低由于高斯脉冲大于材料损伤阈值的多余能量和高斯脉冲的下降沿的过剩能量对材料造成的热损伤。它与Z轴系统的结合，使得激光焦平面可以随待加工表面的下移而下移，贯穿整个材料厚度，降低材料加工锥角，提高了加工质量和加工效率。

4)可调平夹具设计的三个调节旋钮，可以根据PBO纤维增强材料表面特征调整激光焦平面与材料待加工表面保持尽可能地重合，提高激光利用率，改善激光加工质量。可调平夹具下方悬空，可以使材料被完全穿透时快速掉下或者与激光焦点及时分离，避免过加工引起的材料损伤。

附图说明

图1是本实用新型实施例中加工装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例中Z轴系统结构示意图。

图3是本实用新型实施例中可调平夹具的结构示意图。

图4为本实用新型实施例中底板和支撑块的接触面通孔示意图。

图5是本实用新型实施例中可调平夹具夹持待加工材料示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。

如图1-5所示，本实施例提供一种PBO纤维增强复合材料的紫外皮秒激光加工装置，包括紫外皮秒激光器1、第一反射镜2、偏振器3、第二反射镜4、扩束镜5、平顶光束整形器6、第三反射镜7、第四反射镜8、合束镜9、CCD镜头10、孔径光阑11、扫描振镜模组12(包栝扫描振镜和平场透镜)、可调平夹具14和X-Y移动平台15。

所述可调平夹具14包括底板14-1、安装于底板上的纵截面为倒T形的支撑块14-2以及安装于所述支撑块上的压紧块14-3，所述底板固定安装于X-Y移动平台15上。底板14-1和支撑块14-2均为L形结构。

所述底板和支撑块通过设置在L形结构的两端和直角处的三个可旋动的螺柱14-4调节支撑块高度。作为优选，底板和支撑块接触面的两端和直角处分别设有A、B、C三个通孔，通孔设有凹槽，通孔内分别设置有拉伸弹簧，拉伸弹簧的两端卡在凹槽内从而对底板和支撑块实现弹性连接，借助拉伸弹簧的回复力使底板和支撑块紧密贴合，此时底板和支撑块之间没有缝隙。将螺柱旋转进螺纹孔至螺柱的头部顶住底板，再次旋转螺钉时就会将底板和支撑块分离并产生间隙，通过调整间隙的大小来调节支撑块升起的高度。拉伸弹簧的结构设置属于常规设计，在此实施例中就不做赘述。

所述压紧块14-3通过螺钉安装锁紧于所述支撑块14-2的L形结构直角位置，压紧块的纵截面也为L形结构。

所述Z轴移动系统包括立式直线电机模组17和由直线电机模组驱动可上下移动的横梁16，所述第四反射镜、合束镜、孔径光阑和扫描振镜模组从左至右依次安置于所述横梁上，所述合束镜向上呈45°置于第四反射镜之后，所述CCD镜头安置在合束镜正上方。

所述平顶光束整形器设置于所述扩束镜的输出端，激光束经平顶光束整形器被整形成平顶光束后经过第三反射镜、第四反射镜进入Z轴移动系统；所述第三反射镜、第四反射镜与平面均呈45°设置。

所述X-Y移动平台为一块固定在可沿X方向和Y方向移动的两组伺服电机模组上的面包板。

整套激光加工装置将扫描振镜模组和X-Y移动平台结合在一起，可以突破扫描振镜幅面限制，实现分割加工，增大了材料的可加工尺寸。另外，扫描振镜的应用还可以实现超快的激光扫描速度和复杂的扫描路径，在大大提高激光加工速度的同时提高激光加工柔性。

高斯光束经过光束整形器整形成平顶光束后，激光脉冲能量分布更均匀，脉冲下降沿的能量分布更少，可以明显改善切割边缘的材料质量。平顶激光与Z轴系统的组合，使得平顶光束良好的切割质量可以贯穿整个材料厚度方向，不仅使激光能量利用率更高，加工速度得以提升，还减少了脉冲能量的散射损耗引起的热扩张，改善了激光加工质量。

PBO纤维增强复合材料13用可调平夹具14安置在X-Y移动平台15上，可调平夹具通过3个旋钮手动调节，

将待加工材料平放在倒T支撑块的内沿上，用压紧块压紧材料，再用螺钉将压紧块和支撑块锁紧，达到使材料固定在可调平夹具上的目的。在材料的一角上固定一点，通过CCD使激光焦点聚焦在材料的上表面，换另一个角的观察点，旋动螺钉顶柱调节三个方向的空隙大小使激光聚焦在第二个点，依次确定四个顶点，使材料上表面与激光焦平面水平。待加工材料下方自然悬空。可以使材料被完全穿透时快速掉下或者与激光焦点及时分离，避免过加工引起的材料损伤。

本实施例中PBO纤维增强复合材料的紫外皮秒激光加工工艺为：用可调平夹具14将PBO纤维增强复合材料13固定在X-Y移动平台15上，先用CCD镜头10的低倍模式粗调激光聚焦在PBO纤维增强复合材料13的上表面附近，然后使用高倍模式使激光焦点精确聚焦在材料上表面。按照此方法选取材料待加工区域的4个边缘顶点，通过调节夹具14的3个调节旋钮使激光聚焦平面与材料上表面尽可能重合。

通过计算机软件设置激光脉冲重复频率为、平均功率、扫描速度、扫描路径、扫描次数及Z轴系统的位移参数等，开启并调试好平顶激光整形器6。计算机系统外部触发紫外皮秒激光器1使激光出射，激光束经第一反射镜2入射至偏振器3，可根据加工形式改变激光偏振方向，激光从偏振器3出射后被第二反射镜4反射进入扩束镜5进行扩束准直，增大激光束直径，降低光束发散角，扩束后的激光进入平顶光束整形器6，将高斯光束整形成平顶光束，再经过一对平行放置的45°反射镜后进入孔径光阑11滤除杂散光。接着，激光束进入扫描振镜模组12完成激光的路径折射和聚焦，高能量密度的激光焦点在PBO纤维增强复合材料上表面完成计算机软件指定的扫描动作实现激光加工。当第一层表面加工完成后，激光器停止出光，Z轴系统整体向下进给指定距离，此时激光器再次出射激光，重复上述动作。

激光聚焦后焦点处具有非常高的功率密度，分别与PBO纤维增强复合材料13中的环氧树脂基体和PBO纤维发生反应，当激光功率密度达到材料损伤阈值时，材料开始熔化、汽化或化学分解而被去除。皮秒激光由于其具有皮秒级的脉冲宽度，这个时间间隔比电子将热量传递到晶格的时间短得多，当热量被传递到晶格时激光作用已经结束，可以最大限度地减少热累积和热烧蚀，实现“冷加工”。紫外激光具有较高的单光子能量，可以直接打断树脂基体和PBO纤维中的C-C单键实现光化学去除，从而减少了激光加工热损伤。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种紫外皮秒激光加工装置，包括紫外皮秒激光器（1），其特征在于：还包括可调平夹具（14）、X-Y移动平台（15）以及依次布置在所述紫外皮秒激光器的输出光路上的第一反射镜（2）、偏振器（3）、第二反射镜（4）、扩束镜（5）、平顶光束整形器（6）、第三反射镜（7）、第四反射镜（8）、合束镜（9）、CCD镜头（10）、孔径光阑（11）和扫描振镜模组（12）；所述可调平夹具（14）包括底板（14-1）、安装于底板上的纵截面为倒T形的支撑块（14-2）以及安装于所述支撑块上的压紧块（14-3），所述底板固定安装于X-Y移动平台上。

2.根据权利要求1所述的紫外皮秒激光加工装置，其特征在于：所述底板（14-1）和支撑块（14-2）均为L形结构，所述底板和支撑块的两端和直角处设有螺纹孔，螺纹孔内旋接有螺柱。

3.根据权利要求2所述的紫外皮秒激光加工装置，其特征在于：在所述底板和支撑块接触面的两侧和直角处分别开设有通孔，所述通孔内分别设有凹槽，所述通孔内设有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的两端分别卡在所述凹槽内。

4.根据权利要求3所述的紫外皮秒激光加工装置，其特征在于：所述压紧块（14-3）通过紧固件安装于所述支撑块（14-2）的L形结构直角位置，且其纵截面为L形结构。

5.根据权利要求4所述的紫外皮秒激光加工装置，其特征在于：还包括Z轴移动系统，所述Z轴移动系统包括立式直线电机模组（17）和由直线电机模组驱动可上下移动的横梁（16），所述第四反射镜、合束镜、孔径光阑和扫描振镜模组从左至右依次安置于所述横梁上，所述合束镜向上呈45°置于第四反射镜之后，所述CCD镜头安置在合束镜正上方。

6.根据权利要求5所述的紫外皮秒激光加工装置，其特征在于：所述平顶光束整形器设置于所述扩束镜的输出端，激光束经所述平顶光束整形器被整形成平顶光束后经过第三反射镜、第四反射镜进入Z轴移动系统；所述第三反射镜、第四反射镜与平面均呈45°设置。

7.根据权利要求6所述的紫外皮秒激光加工装置，其特征在于：所述X-Y移动平台为一块固定在可沿X方向和Y方向移动的两组伺服电机模组上的面包板。

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