CN215846425U - 一种z轴动态移动的激光高速错位打孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置。其技术方案为，一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，包括X‑Y‑Z三轴外部运动系统和工控机，X‑Y‑Z三轴外部运动系统包括X‑Y平面运动装置和Z轴升降装置，Z轴升降装置上安装有激光发生系统，X‑Y平面运动装置上安装有加工平台；工控机用于控制X‑Y‑Z三轴外部运动系统和激光发生系统，Z轴升降装置能够驱动激光发生系统在加工过程中沿Z轴匀速上下移动。本实用新型的有益效果为，实现在加工过程中动态改变离焦量，提高打孔质量以及材料去除率，且能够实现微孔的错位排列，增加微孔密度，同时激光脉冲之间的间距减小，形成比传统矩形排列更高效的热量分布，大大提高打孔效率。

Description

一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置

技术领域

本实用新型涉及激光切割领域，特别是涉及一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置。

背景技术

激光打孔是目前微孔加工中不可缺少且应用广泛的激光加工方法之一，随着现今加工靶料厚度减小，加工微孔孔径减小，以及群孔密度增加，传统的机械加工已经不能满足微孔加工的需求，而激光加工具有亮度高、方向性强、靶料形变小等优点，尤其是短脉冲激光，光斑半径更小，适合于微孔加工。

影响激光打孔质量的因素很多，比如脉宽、脉冲波形、脉冲能量、束截面光强分布、脉冲重复率，靶料各项热参数，加工离焦度等，目前的激光加工设备，工作时的离焦度都是固定的，而且加工热参数难以控制。所以如何实现激光加工材料表面热量的高效分布，并将产生的热效应用于提高激光加工效率，以及研究离焦度的改变对激光加工过程中产生的重要影响已经是激光加工过程中亟待解决的问题。

申请人经过研究，发现在打孔过程中匀速改变离焦量能够提高微孔质量；另一方面，传统的打孔方式，微孔的排列如图1所示，微孔在靶料上为矩形设置，而错位打孔能够在靶料上形成相比与传统矩形打孔方式更高效的热量分布，基于此，申请人提出了一种通过改善热量分布并控制离焦量变化的打孔方法，但是目前的激光打孔设备在加工过程中无法动态改变离焦量，而且靶料只能单轴运动，不能满足加工需求。

发明内容

本实用新型为提高激光加工群孔效率，实现材料表面热量高效分布，解决加工过程中焦点不变引起的孔形貌和锥度难以优化的问题，提供了一种基于转镜高速扫描下，通过能够动态改变离焦度和改变微孔布置方式，以实现提高微孔质量并优化靶料热量分布的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置。

为解决以上问题，本实用新型采用的技术方案为，一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，包括X-Y-Z三轴外部运动系统和工控机，X-Y-Z三轴外部运动系统包括X-Y平面运动装置和Z轴升降装置，Z轴升降装置上安装有激光发生系统，X-Y平面运动装置上安装有加工平台；工控机用于控制X-Y-Z三轴外部运动系统和激光发生系统，Z轴升降装置能够驱动激光发生系统在加工过程中沿Z轴匀速上下移动。本装置通过X-Y-Z三轴外部运动系统及工控机的程序控制实现在加工过程中动态改变离焦量，提高打孔质量以及材料去除率，而且使加工平台能够在X轴、Y轴两个方向上运动，能够实现微孔的错位排列，增加微孔密度，同时激光脉冲之间的间距减小，能够形成比传统矩形排列更高效的热量分布，大大提高打孔效率。

优选的，激光发生系统包括激光发生装置，激光发生装置的发射源与光束整形器通过光路连接，光束整形器的出光孔与转镜激光同步扫描装置通过光路连接，转镜激光同步扫描装置的输出端设有f-θ聚焦透镜组，转镜激光同步扫描装置的输出端与f-θ聚焦透镜组的输入端垂直共线，f-θ聚焦透镜组的输出端位于加工平台的上方，且输出激光束指向加工平台。

优选的，转镜激光同步扫描装置包括电动机、转镜扫描仪和振镜扫描仪，电动机能够驱动转镜扫描仪和振镜扫描仪转动，转镜扫描仪的扫描方向与振镜扫描仪的扫描方向相互垂直。高速转镜扫描设备因其扫描速度高，加工精度高；转镜扫描速度和脉冲重复频率完成同步，可控制加工过程中脉冲注入量。

优选的，f-θ聚焦透镜组的焦距为420mm。

优选的，加工平台为负压吸附平台，能够将待加工的薄膜靶料吸附在加工平面上。使靶料牢固定位，并使离焦量更加精确。

优选的，加工平台上设有激光加工吹气装置，激光加工吹气装置能够向加工平台的台面吹送加工辅助气体。高功率密度加工过程中材料表面从熔化到汽化，随着温度的继续升高将会使蒸汽发生电离，形成一层密度很高的等离子膜，设置激光加工吹气装置能够及时吹去等离子膜，提高加工效率。

优选的，加工辅助气体为体积比80％氩气与体积比20％氧气的混合气体。

通过以上技术方案可以看出，本实用新型的优点在于，能够在加工过程中随着打孔操作动态改变离焦量，同时能够实现错位打孔，提高了打孔密度、微孔质量，能够使微孔锥度更小；并且实现了靶料上更加高效的热量分布，大大提高了加工效率；同时设置负压吸附平台，使薄膜靶料定位更加牢固，离焦量控制更加精确，激光加工吹气装置能够及时吹除靶料表面的等离子膜，进一步提高加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统激光打孔的微孔排列形式。

图2为本实用新型具体实施方式的结构示意图。

图3为本实用新型具体实施方式中工控机的控制示意图。

图4为本装置所加工微孔板的结构示意图。

图中：1.工控机，2.激光发生装置，3.光束整形器，4.转镜激光同步扫描装置，5.f-θ聚焦透镜组，6.激光加工吹气装置，7.X-Y-Z三轴外部运动系统，8.加工平台，9.靶料，10.微孔。

具体实施方式

为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

如图2、图3所示，一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，包括X-Y-Z三轴外部运动系统7和工控机1，X-Y-Z三轴外部运动系统7包括X-Y平面运动装置和Z轴升降装置，Z轴升降装置上安装有激光发生系统，X-Y平面运动装置上安装有加工平台8；工控机1用于控制X-Y-Z三轴外部运动系统7和激光发生系统，Z轴升降装置能够驱动激光发生系统在竖直方向上下运动，X-Y平面运动装置能够驱动加工平台8在水平面内沿X轴、Y轴移动。X-Y-Z三轴外部运动系统7可以采用三个方向的丝杠、无杆气缸、液压缸等直线驱动装置。

激光发生系统包括激光发生装置2，激光发生装置2的发射源与光束整形器3通过光路连接，光束整形器3的出光孔与转镜激光同步扫描装置4通过光路连接，转镜激光同步扫描装置包括电动机、转镜扫描仪和振镜扫描仪，电动机能够驱动转镜扫描仪和振镜扫描仪转动，转镜扫描仪的扫描方向与振镜扫描仪的扫描方向相互垂直，转镜激光同步扫描装置4的输出端设有f-θ聚焦透镜组5，转镜激光同步扫描装置4的输出端与f-θ聚焦透镜组5的输入端垂直共线，f-θ聚焦透镜组5的输出端位于加工平台8的上方，且输出激光束指向加工平台8。

由于加工靶料为厚度很小的薄膜金属板，容易在加工平台上翘起，将加工平台8为负压吸附平台，在加工过程中将待加工的薄膜靶料吸附在加工平面上，保证加工精度和离焦量控制精度。

由于在高功率密度加工过程中材料表面从熔化到汽化，温度的继续升高将会使的周围的蒸汽发生电离，形成一层密度很高的等离子膜，影响加工效率，为及时清除等离子膜，在加工平台8上设有激光加工吹气装置6，利用激光加工吹气装置吹送加工辅助气体，将等离子膜吹除，保证加工效率。

工控机控制激光发生装置，高速转镜扫描装置，通过像工控机控制面板输入激光器输出功率、扫描速度、行距、扫描范围、扫描次数等信息启动激光源的扫描装置；

本实用新型的工作方法为：通过工控机1中设定加工参数，包括激光参数：功率、频率、脉宽，扫描参数：扫描速度、行距、扫描范围、扫描次数，运动参数：正负离焦量、X轴错位值Δx、Y轴错位值Δy；

开始加工，启动激光发生系统，激光发生装置2发射激光，依次经过光束整形器2、转镜激光同步扫描装置4和f-θ聚焦透镜组5投射投射到靶料上，转镜激光同步扫描装置4实现对设定区域的二维平面扫描，同时工控机1控制X-Y-Z三轴外部运动系统7，使激光发生系统在Z轴方向进行连续且匀速的上下运动，激光焦点在Z轴方向进行连续且匀速的上下运动；扫描激光在靶料上进行二维平面扫描，并进行一次矩形阵列打孔(图4中奇数行的微孔)；完成一次扫描打孔后，工控机1控制X-Y-Z三轴外部运动系统7，使加工平台8承载靶料向X轴正方向或负方向移动Δx，同时向Y轴正方向或负方向移动Δy，实现二维平面的错位排布，并再次进行扫描打孔(图4中偶数行的微孔)，在以上两次扫描打孔中，两次扫描的二维区域通过X轴、Y轴的移动进行错位叠加，从而实现两个矩型微孔阵列错位叠加并形成整个加工区域的错位打孔；

重复加工平台的移动与扫描打孔，在设定的扫描次数内完成靶料上设定范围内激光打孔形貌和深度的要求；完成加工后，激光发生系统、X-Y-Z三轴外部运动系统7停止运行。

在加工过程中，激光发生系统一直处于上下匀速运动的状态。

在加工过程中，工控机1控制Z轴升降装置带动激光发生系统在Z轴方向每分钟匀速移动±1.5mm，即最大正负离焦量均为1.5mm；

在加工过程中，负压吸附平台将靶料吸附在加工平面上，激光加工吹气装置以20L/min的流量向靶料表面吹送体积比80％Ar和体积比20％O₂混合气体，将等离子膜吹除。

加工完成后的微孔如图4所示，可见微孔10在靶料9为上错位布置。

在本实施例中，f-θ聚焦透镜组的焦距为420mm，转镜激光同步扫描装置的转镜组件采用德国moewe公司的多边扫描镜；X-Y-Z三轴外部运动系统采用研华MAS控制器进行控制，编程语言是Motion BASIC，通过程序控制Z轴升降装置，实现在加工过程中转镜激光同步扫描装置4和f-θ聚焦透镜组5进行动态匀速的上下运动；光束整形器采用伽利略式结构，包括光束透镜和光束反射镜，将激光源发生装置发出激光进行扩束整形，使发出的激光打在转镜激光同步扫描装置中多边扫描镜表面上。

需要说明，以上数值仅为本实用新型的一个实施例，实际生产中可以根据靶料厚度设定其他加工参数或采用其他型号的设备。

本实用新型的加工原理为：动态改变离焦量，能够更好的融化激光加工过程中重新形成的再铸层；离焦量为负时焦点在材料的内部，激光更好的在孔壁内反射，能够生成锥度更小的通孔；离焦量为正时，焦点位于靶料表面上方，在焦点处等离子体复合产生的宽频电磁辐射和剩余部分的脉冲能量入射到靶面，在靶面又产生强度相对较弱的等离子体，其对激光的吸收和屏蔽效应明显减弱，同时焦斑处空气击穿产生的等离子体在可见光和X射线波段有很强的辐射，金属表面对这些短波电磁辐射的吸收，比微米级的脉冲电磁波大得多，靶面吸收等离子体的短波辐射温度迅速升高，又使其对微米脉冲激光的吸收系数增大，使打孔效率快速增大；

错位打孔时，脉冲彼此距离更近，产生的热量更大，使得材料温度升高，进而当材料温度升高时对1.06μm波段的激光吸收率也会增大，所以错位打孔不仅可以使材料表面孔密度增大，同时也可以使材料表面形成高效的热量分布，明显增大打孔效率。

通过以上实施方式和加工原理可以看出，本实用新型的有益效果为，本装置能够在加工过程中随着打孔操作动态改变离焦量，同时能够实现错位打孔，提高了打孔密度、微孔质量，能够使微孔锥度更小；并且实现了靶料上更加高效的热量分布，大大提高了加工效率；同时设置负压吸附平台，使薄膜靶料定位更加牢固，离焦量控制更加精确，激光加工吹气装置能够及时吹除靶料表面的等离子膜，进一步提高加工效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，包括X-Y-Z三轴外部运动系统(7)和工控机(1)，所述X-Y-Z三轴外部运动系统(7)包括X-Y平面运动装置和Z轴升降装置，所述Z轴升降装置上安装有激光发生系统，所述X-Y平面运动装置上安装有加工平台(8)；所述工控机(1)用于控制所述X-Y-Z三轴外部运动系统(7)和所述激光发生系统，所述Z轴升降装置能够驱动所述激光发生系统在加工过程中沿Z轴匀速上下移动。

2.根据权利要求1所述的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，所述激光发生系统包括激光发生装置(2)，所述激光发生装置(2)的发射源与光束整形器(3)通过光路连接，所述光束整形器(3)的出光孔与转镜激光同步扫描装置(4)通过光路连接，所述转镜激光同步扫描装置(4)的输出端设有f-θ聚焦透镜组(5)，所述转镜激光同步扫描装置(4)的输出端与所述f-θ聚焦透镜组(5)的输入端垂直共线，所述f-θ聚焦透镜组(5)的输出端位于所述加工平台(8)的上方，且输出激光束指向所述加工平台(8)。

3.根据权利要求2所述的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，所述转镜激光同步扫描装置(4)包括电动机、转镜扫描仪和振镜扫描仪，所述电动机能够驱动所述转镜扫描仪和所述振镜扫描仪转动，所述转镜扫描仪的扫描方向与所述振镜扫描仪的扫描方向相互垂直。

4.根据权利要求2所述的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，所述f-θ聚焦透镜组(5)的焦距为420mm。

5.根据权利要求1-4任一所述的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，所述加工平台(8)为负压吸附平台，能够将待加工的薄膜靶材吸附在加工平面上。

6.根据权利要求1-4任一所述的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，所述加工平台(8)上设有激光加工吹气装置(6)，所述激光加工吹气装置(6)能够向所述加工平台(8)的台面吹送加工辅助气体。

7.根据权利要求6所述的Z轴动态移动的激光高速错位打孔装置，其特征在于，所述加工辅助气体为体积比80％氩气与体积比20％氧气的混合气体。

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