CN217193260U - 一种激光加工设备 - Google Patents

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卢思迪
梁乔春
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Abstract

本实用新型公开了一种激光加工设备,包括激光器和加工台面,以及设置在激光器与加工台面之间的声光调制器、分光镜;分光镜的反射端设有用于成像聚焦的透镜或透镜组、温度传感装置和控制系统;激光器发出的激光依次经过声光调制器、分光镜后,聚焦并扫描在加工台面上的待加工物料,构成加工光路;待加工物料上形成的辐照光以及反射的激光,沿着与扫描的激光反向同轴传输到分光镜;温度传感装置将辐照光或反射的激光转换为用于标识温度的电信号传输给控制系统,控制系统调控声光调制器的衍射功率。本实用新型采用同轴测温和闭环控制声光调制器的组合,能够提高加工效果。

Description

一种激光加工设备
技术领域
本实用新型涉及激光加工技术领域,尤其涉及一种激光加工设备。
背景技术
对于一些对加工要求非常高的一些技术,如激光芯片焊接,选择性激光融化等领域,激光加工区域的材料的温度参数由于存在物理化学相变过程,温度的变化会变得非常复杂。为了监控加工区域的材料的融化与沉积,通常需要实时监控加工面的参数来让加工环境处于最优化的条件下,同时避免外界扰动。为此,我们需要了解表面温度,加工面温度场的分布,加工位点的融化面积以及加工材料在激光下的变化。
另外,现阶段的激光加工使用扫描振镜来实现激光加工位点的转移。在加工复杂几何结构的图形(例如画圆形椭圆形)时,由于空间扰动、激光器自身因素、场镜的影响以及扫描振镜自身的特性引起的激光光斑运动速度不均匀,这些都会导致在激光在加工不同点位时的能量分布的不均匀。例如在高速振镜的应用场景,由于振镜加减速与跳转时,速度存在不均匀。激光光斑速度移动慢的区域,能量高;而相应的,激光光斑速度移动快的区域能量低。这种不均匀性无法通过优化振镜或者外光路来消除,而且对加工最终的工艺效果产生影响。在部分应用场景下(如芯片焊接),激光加工工艺的要求进一步提高,而且加工图形复杂,微观加工的工艺要求严苛。当加工过程中的能量不均匀时,导致部分焊脚虚焊、漏焊等状况,会显著影响工艺建立起来的部件的特性以及最终产品的品质。
目前一些现有技术中只有监控,无法实时调控激光器的功率。或者有的直接调控激光器,这一类调控需要激光器本身具有波形编辑功能,导致激光器价格昂贵,在一些需要复杂调控的场景不适用。
实用新型内容
本实用新型主要目的在于:提供一种激光加工设备,能够实时控制激光功率,从而提高加工效果。
本实用新型所采用的技术方案是:一种激光加工设备,包括激光器和加工台面,以及依次设置在激光器与加工台面之间的声光调制器、分光镜;分光镜的反射端依次设有用于成像聚焦的透镜或透镜组、温度传感装置和控制系统;其中,
激光器发出的激光,依次经过声光调制器、分光镜后,聚焦并扫描在加工台面上的待加工物料,构成加工光路;
被激光照射的待加工物料上形成的辐照光、以及待加工物料反射的激光,沿着与扫描的激光反向同轴传输到分光镜;
温度传感装置将成像聚焦后的辐照光或反射的激光转换为用于标识温度的电信号传输给所述控制系统,控制系统的控制端与所述声光调制器连接,调控声光调制器的衍射功率。
按上述方案,在所述的用于成像聚焦的透镜或透镜组之前或之后,还设有用于滤去加工位点以外的杂散光的空间滤光片或小孔光阑。
按上述方案,所述的温度传感装置前设置至少一片滤光片,所述的滤光片包括带通滤光片或带阻滤光片。
按上述方案,所述的用于成像聚焦的透镜或透镜组,为聚焦镜或管镜。
按上述方案,在分光镜的反射端通过分束镜分为至少2条光分路,每条光分路均包括用于成像聚焦的透镜或透镜组和温度传感装置,每条光分路的温度传感装置的输出端分别与所述控制系统连接。
按上述方案,所述的加工光路还包括加工光路聚焦镜和/或扩束镜,其中加工光路聚焦镜设置在激光器与声光调制器之间,扩束镜设置在声光调制器与分光镜之间。
按上述方案,所述的分光镜后,依次设有振镜和场镜,用于实现所述的聚焦并扫描;或者,
所述的分光镜后设有物镜,加工台面设有平面二维移动模组,用于实现所述的聚焦并扫描。
按上述方案,所述的温度传感装置为高温计、PD探测器、高速CCD相机或CMOS相机。
按上述方案,所述的加工光路中还设有整形镜片,所述整形镜片设置在声光调制器与分光镜之间。
按上述方案,所述的分光镜为二向色镜;二向色镜的反射端输出辐照光,通过用于成像聚焦的透镜或透镜组后到达温度传感装置。
本实用新型产生的有益效果是:
1、在激光加工的同时,通过同轴测温的方式获取加工位点的温度或加工区域温度场,控制系统根据该温度或加工区域温度场及预想的加工要求,来调控位于加工光路中声光调制器的衍射效率,进而调控发射至加工台面的激光光束的实时激光功率,从而使得激光在加工不同点位时的能量分布均匀,达到提高加工效果的目的,为激光精密加工工艺创造更大的窗口;整个过程是实时和闭环的。
2、通过采用多条光分路,利用不同波段滤光片配合温度传感装置,从而有针对性地监控不同波段的辐照,对不同加工材料监控不同波段,来重构加工过程的物化反应以及相变反应,配合声光调制器实现更加精准的控制。
3、本激光加工设备在激光器以外设置声光调制器,声光调制器的反馈速度快,控制精度级高,可以达到纳秒级,这样不需要激光器具有编辑波形功能,使得整个设备成本降低,可以适用于一些需要复杂调控的场景,如芯片焊接、激光消融等。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明,附图中:
图1是本实用新型实施例一的结构示意图;
图2是本实用新型实施例二的结构示意图。
图中:1-激光器,2-加工光路聚焦镜,3-声光调制器,4-扩束镜,5-分光镜,6-振镜,7-F-theta透镜,8-加工台面,9-空间滤光器,10-聚焦镜,10-1-第一聚焦镜,10-2-第二聚焦镜,11-滤光片,11-1-带通滤光片,11-2-带阻滤光片,12-温度传感装置,12-1-第一温度传感装置,12-2-第二温度传感装置,13-控制系统,14-分束镜,15-反射镜。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
实施例一:
如图1所示,本实施例提供一种激光加工设备,包括激光器1与加工台面8,以及在激光器1和加工台面8之间依次设置的加工光路聚焦镜2、声光调制器3、扩束镜4、分光镜5、振镜6和F-theta透镜7;还包括分光镜5的反射端依次设置的聚焦镜10、温度传感装置12和控制系统13。其中,聚焦镜10可以采用其它用于成像聚焦的透镜或透镜组代替,例如管镜。
激光器1发出的激光,依次经过声光调制器3、分光镜5后,聚焦并扫描在加工台面8上的待加工物料,构成加工光路。所述的聚焦并扫描,可采用常规技术,本实施例中的聚焦并扫描,通过振镜6和F-theta透镜(即场镜)7来实现的;也可以采用物镜和移动的加工台面8来实现,加工台面8的移动可通过设置平面二维移动模组实现。
其中,F-theta透镜(即场镜)可使用消色差或非消色差型。
被激光照射的待加工物料上形成的辐照光、以及待加工物料反射的激光,沿着与扫描的激光反向同轴传输到分光镜5,分光镜5的反射端输出的光沿聚焦镜10传输至温度传感装置12,构成辐照光路。这里,辐照光路仅为一个光路名称,并不代表其传输的只有辐照光,前半段从加工台面到分光镜5之间的光是辐照光与反射的激光都有,到达分光镜5后可通过对分光镜5进行特定选择(例如分光镜采用二向色镜)从而只输出辐照光,也可只反射激光。
辐照光路中,可以在温度传感装置12之前设置滤光片11,用于通过某一波段的辐照光而过滤其他波段的光和/或用于过滤掉反射的加工激光,或过滤掉反射的加工激光,从而提高温度的识别精度。滤光片11可以为根据实际透光需要设置,至少为一片,也可以是多片不同波段滤光片的组合。具体地,滤光片11包括:
1)带通滤光片,用于通过某一波段的辐照光而过滤其他波段的光。如部分材料需要检测紫外辐照,则选择用紫外带通滤光片;
2)带阻滤光片,用于过滤掉反射的加工激光,从而监控辐照温度场。
3)加工激光波长的带通滤光片,可以滤掉加工激光波长以外的光,配合非消色差F-theta透镜和高温计,根据反射的加工激光拟合加工位点温度。
以上滤光片可以包括至少一种,当为一种时,可以实现其中一种滤光片的功能。也可以是多个相同或不同的上述滤光片的组合,此时可以实现以下功能:以上多种滤光片配合温度传感装置12(二维空间分辨传感器)使用来监控辐照场数据,该数据有针对性地监控不同波段的辐照。对于不同加工材料监控不同波段,来重构加工过程的物化反应以及相变反应,配合AOM实现更加精准的控制。
温度传感装置将辐照光或反射的激光转换为用于标识温度的电信号传输给所述控制系统,控制系统的控制端与所述声光调制器连接,调控声光调制器的衍射功率。优选分光镜5为二向色镜,从二向色镜的反射端仅输出辐照光,温度传感器将辐照光转换为用于标识温度的电信号传输给所述控制系统。
温度传感装置12可以是一维传感器,如高温计、PD探测器,用于实时监控加工位点温度;也可以是具有二维空间分辨的高速传感器(如高速CCD或者CMOS相机),用于实时监控加工位小范围区域内的表面温度场。当温度传感装置12是高温计时,可直接识别出温度值,控制系统无需对温度值进行二次处理;当温度传感装置12是PD探测器或者高速CCD、CMOS相机时,则只会得到与温度相关联的电信号或辐照图像,控制系统通过对电信号二次处理或者对辐照图像进行图像处理,即可得到温度值或温度场,所述的对电信号二次处理、以及对辐照图像进行图像处理,均可采用常规技术手段。然后控制系统输出信号给声光调制器,声光调制器对加工激光进行波形编辑,实现根据实际工艺参数(温度)控制加工激光的功率,使得激光在加工不同点位时的能量分布均匀。
所述的加工光路聚焦镜2和扩束镜4均为根据加工光路要求可选择放入的。此外可选的,在聚焦镜10之前或之后,还可以包括空间滤光片9或者小孔光阑,用于滤去加工位点以外的杂散光,即辐照光可以先通过空间滤光片9或者小孔光阑再通过聚焦镜10,或先通过聚焦镜10再通过空间滤光片9或者小孔光阑。加工光路中还可以根据实际需要加入整形镜片,对激光光束进行整形,整形镜片设置在声光调制器与分光镜之间。
本实施例中,加工光路聚焦镜2、扩束镜4、分光镜5、整形镜片、振镜6、F-theta透镜7、聚焦镜10为传统的激光加工光路的光学器件。其中,分光镜5能透加工用激光、反射激光和成像辐照光。
本发明的工作原理为:加工光路将一定功率的激光聚焦到加工位点,与材料作用,实现一定的激光加工功能,例如激光焊接或材料的融化剥离。激光在加工台面8与加工材料作用时,温度上升形成加工位点的辐照场,该辐照根据黑体辐射理论是具有宽波长范围的辐照光,通过F-theta透镜7与振镜6同轴返回到分光镜5,然后经过辐照光路由温度传感装置12精确获取加工位点温度与表面温度场分布,控制系统13根据此加工位点温度,调控声光调制器3的衍射效率,从而调控发射至加工台面的激光光束的实时激光功率,以使得激光功率符合加工的要求。其中,使用声光调制器(AOM)的一级衍射光作为加工光源。
所述的同轴是指:激光入射到加工台面8上待加工物料的激光光束与进入到温度传感装置12的光路的共轴,如此,能够保证所采集的温度即为激光加工位点的温度。
同轴测温可以实时监控加工位点的温度,成像区域即为加工位点区域,可以精确获得加工位点的温度与表面温度场分布,又由于AOM的控制精度级高,可以达到纳秒级(普通激光器的波形编辑最小时间精度位0.1ms),从而可以非常精确控制每一加工位点处的加工的激光功率,从而可实现加工位的闭环控制(如PI或PID控制)AOM的衍射效率。
实施例二:
本实施例的原理和结构与实施例一基本相同,其不同之处在于:如图2所示,所述的辐照光路中,空间滤光器9后设置有一个分束镜14,通过分束镜14分为2条光分路,第一光分路包括第一聚焦镜10-1、带通滤光片11-1和第一温度传感装置12-1,第二光分路包括第二聚焦镜10-2、带阻滤光片11-2和第二温度传感装置12-2,第一温度传感装置12-1和第二温度传感装置12-2的输出端分别与所述控制系统13连接。
其中,每条光分路中还可以根据光路需要,设置至少1个用于调整辐照光路传播方向的反射镜15。
本实施例采用了2个温度传感装置,配合使用不同波段滤光片,可监测不同波段的辐照,以此重构不同加工材料在加工过程中的物化适应不同加工材料的工艺需求来调控声光调制器(AOM)。
更为具体的,带通滤光片11-1用于通过某一波段的辐照光而过滤其他波段的光,如部分材料需要检测紫外辐照,则选择用紫外带通滤光片;带阻滤光片11-2用于过滤掉反射的加工激光,从而监控辐照温度场。
同理,还可以根据实际工艺需要,采用更多的光分路,每条光分路均可选择一片滤光片或者多片滤光片的组合。
本实用新型可以实时监控加工位点温度与加工区域温度场,实时闭环控制声光调制器,实现加工位点的激光功率的实施控制,为激光精密加工工艺创造更大的窗口。声光调制器反馈快、控制精度级高,可以达到纳秒级(普通激光器的波形编辑最小时间精度位0.1ms),也不需要激光器具有编辑波形功能,使得系统成本降低,可以适用于一些需要复杂调控的场景,如芯片焊接、激光消融等待。
需要说明的是,本实用新型的创新点在于同轴测温和闭环控制声光调制器的光路和硬件框架,而具体根据何种加工需求进行何种具体的功率调控,则可另外设置软件来实现,并非本实用新型的保护主题。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光加工设备,其特征在于,包括激光器和加工台面,以及依次设置在激光器与加工台面之间的声光调制器、分光镜;分光镜的反射端依次设有用于成像聚焦的透镜或透镜组、温度传感装置和控制系统;其中,
激光器发出的激光,依次经过声光调制器、分光镜后,聚焦并扫描加工台面上的待加工物料,构成加工光路;
被激光照射的待加工物料上形成的辐照光、以及待加工物料反射的激光,沿着与扫描的激光反向同轴传输到分光镜;
温度传感装置将成像聚焦后的辐照光或反射的激光转换为用于标识温度的电信号传输给所述控制系统,控制系统的控制端与所述声光调制器连接,调控声光调制器的衍射功率。
2.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,在所述的用于成像聚焦的透镜或透镜组之前或之后,还设有用于滤去加工位点以外的杂散光的空间滤光片或小孔光阑。
3.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的温度传感装置前设置至少一片滤光片,所述的滤光片包括带通滤光片或带阻滤光片。
4.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的用于成像聚焦的透镜或透镜组,为聚焦镜或管镜。
5.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,在分光镜的反射端通过分束镜分为至少2条光分路,每条光分路均包括用于成像聚焦的透镜或透镜组和温度传感装置,每条光分路的温度传感装置的输出端分别与所述控制系统连接。
6.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的加工光路还包括加工光路聚焦镜和/或扩束镜,其中加工光路的聚焦镜设置在激光器与声光调制器之间,扩束镜设置在声光调制器与分光镜之间。
7.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的分光镜后,依次设有振镜和场镜,用于实现所述的聚焦并扫描;或者,
所述的分光镜后设有物镜,加工台面设有平面二维移动模组,用于实现所述的聚焦并扫描。
8.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的温度传感装置为高温计、PD探测器、高速CCD相机或CMOS相机。
9.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的加工光路中还设有整形镜片,所述整形镜片设置在声光调制器与分光镜之间。
10.根据权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所述的分光镜为二向色镜;二向色镜的反射端输出辐照光,通过用于成像聚焦的透镜或透镜组后到达温度传感装置。
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