CN217775878U - 一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及飞秒激光加工技术领域。一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，包括用于发射飞秒激光光束的飞秒激光器，还包括激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜和协同控制模块。本实用新型通过控制偏转光楔组与平行平板组的同步运动，激光束在加工过程中实现同步动态平移，并且改变偏转角可使光束横移量发生改变，从而实现加工孔锥度精准可控，实现光束扫描位置的精确控制，提高孔径及锥度的控制精度。

Description

一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置

技术领域

本实用新型涉及飞秒激光加工技术领域，特别涉及一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置。

背景技术

目前喷油孔的加工大多采用电火花工艺，部分采用长脉冲激光加工方式。这两种加工方式都属于热熔加工，加工过程中会在孔边缘和孔壁上形成毛刺、残渣等缺陷，加工准确度也很难满足相关的排放标准要求。国内外很多机构对喷油孔相关加工工艺和设备进行了大量的开发研究工作，但要实现这种高准确度倒锥喷孔加工的工程应用还有待进一步研究。

传统的微孔加工技术主要包括机械加工、电火花、化学腐蚀、超声波打孔等技术，这些技术各有特点，但已经无法满足更高的微孔加工需求。为了获得最佳的喷油雾化效果，提升燃油燃烧效率，部分汽车类喷射零件上要求加工不同孔型锥度的喷孔。针对此类加工情况，目前普遍采用的加工方式是通过光束扫描头在加工平面内进行旋切扫描配合法向方向进给，最终实现整个孔的加工。工作时，将聚焦镜的入射光束进行平移，使平移方向与光束偏摆方向相反，且平移的距离至少大于光束直径的一半，保证光束的边缘在光线传播方向上与孔轴线大于零度，绕光轴旋转且逐层进给，就可实现倒锥孔的成形。同时，在X/Y/Z三个方向上进行协调编程控制，并进行包括功率、焦点位置、扫描时间等影响锥度因素的工艺试验，实现制孔锥度的控制。为了对锥度进行控制，现有的光楔式光束扫描协同控制系统，其实现方法为在运动协同控制模块的协调下控制伺服电机驱动各光楔，完成各个光楔之间的协同运动，达到对光束指向控制的目的。此方法的缺点在于存在小空腔的加工情况，由于孔型原因，孔底会出现部分区域先穿透，部分区域后穿透的情况，当已经有部分区域穿透时，持续加工会造成对壁损伤，且系统结构复杂，孔径及锥度的控制精度不高，已无法满足更高要求的微孔加工需求。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述背景技术中提出的技术问题之一，提供一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，实现了光束扫描位置的精确控制，能够提高孔径及锥度的控制精度，改善微孔加工质量。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，包括用于发射飞秒激光光束的飞秒激光器，还包括激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜和协同控制模块；其中：

所述激光器控制模块包括沿光路方向依次设置的扩束器和全反射棱镜，所述扩束镜设置在所述飞秒激光器出射面上，所述全反射棱镜设置在所述扩束镜的出射面上；所述全反射棱镜的下方依次垂直分布有所述光束偏转模块、光束平移模块和聚焦镜；

所述光束偏转模块包括一偏转光楔组；所述偏转光楔组包括相对设置的上偏转光楔和下偏转光楔；

所述光束平移模块包括一平行平板组；所述平行平板组包括上平板和下平板；

所述协同控制模块分别与所述飞秒激光器、激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜电性连接；控制入射的飞秒激光光速依次通过所述激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜后对待加工工件进行微孔加工。

作为本实用新型的进一步改进，所述上偏转光楔和下偏转光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直。

作为本实用新型的进一步改进，所述上平板和下平板为厚度相等的平行平板。

作为本实用新型的进一步改进，所述上平板和下平板相互平行设置，且上平板和下平板相对于水平方向倾斜的角度范围为0～90°。

作为本实用新型的进一步改进，所述扩束器包括扩束镜和准直镜。

作为本实用新型的进一步改进，所述飞秒激光器发射的激光束水平通过所述全反射棱镜。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置实现了光束扫描位置的精确控制，能够提高孔径及锥度的控制精度，改善微孔加工质量。本实用新型通过控制偏转光楔组与平行平板组的同步运动，激光束在加工过程中实现同步动态平移，并且改变偏转角可使光束横移量发生改变，从而实现加工孔锥度精准可控，突破传统电火花加工较难实现的超精密、表面完整性良好的大K系数倒锥微小孔加工。

附图说明

图1为本实用新型一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置的搭建图；

图2为本实用新型偏转光楔组合成角度的结构示意图；

图3为本实用新型平行平板组的结构示意图。

其中，附图中标记为：1、上偏转光楔；2、下偏转光楔；3、上平板；4、下平板；5、聚焦镜；6、待加工工件；7、扩束镜；8、准直镜；9、全反射棱镜；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1-图3，一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，包括用于发射飞秒激光光束的飞秒激光器，还包括激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜5和协同控制模块；其中：

激光器控制模块用于将飞秒激光器发射的光束进行扩束准直，然后经过反射镜的反射后进入光束偏转模块；所述激光器控制模块包括沿光路方向依次设置的扩束器和全反射棱镜9，所述扩束器包括扩束镜7和准直镜8，所述扩束镜7设置在所述飞秒激光器出射面上，所述全反射棱镜9设置在所述扩束镜7的出射面上，全反射棱镜9为45°反射镜；所述全反射棱镜9的下方依次垂直分布有所述光束偏转模块、光束平移模块和聚焦镜5；

所述光束偏转模块包括一偏转光楔组；所述偏转光楔组包括相对设置的上偏转光楔1和下偏转光楔2；

所述光束平移模块包括一平行平板组；所述平行平板组包括上平板3和下平板4；

所述协同控制模块分别与所述飞秒激光器、激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜5电性连接；控制入射的飞秒激光光速依次通过所述激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜5后对待加工工件6进行微孔加工。

如图1所示：飞秒激光器出射的光束先经过扩束器对光束进行扩束准直，然后经过偏转光楔组后与光轴产生一个很小的夹角，再经过平行平板组产生一定的平移，再经过聚焦透镜聚焦于偏离光轴一微小距离的焦平面上。当偏转光楔组和平行平板组同步高速转动，焦平面上会形成圆形轨迹，通过实时改变光楔相对偏转角度和平行平板相对转动角度可实现大深径比及锥度可控微孔的加工。

所述上偏转光楔1和下偏转光楔2的旋转轴以及光轴两两互相垂直。上偏转光楔1和下偏转光楔2能够绕光轴相对转动。偏转光楔组由两块楔角较小的并且有微小气体间隙的光楔组成，两个光楔可以绕光轴相对转动，光束经过光楔后会与光轴产生一个夹角，该夹角等于两个偏转光楔的合成角度。当两个偏转光楔的楔角方向相反，这时产生的偏转角度为0°，双光楔的作用相当于平行平板，光线仅产生上下位置的微小偏移量。当两个偏转光楔的楔角方向相同，既两个偏转光楔的相对转动为180°，此时产生的偏转角最大为单光楔产生偏转角的2倍。若两个光楔相对转动角度为360°，则产生反向的最大偏转角。图2为偏转光楔合成角度示意图。

所述上平板3和下平板4为厚度相等的平行平板，所述上平板3和下平板4相互平行设置，且上平板3和下平板4相对于水平方向倾斜的角度范围为0～90°。平行平板组由两块等厚的平行平板组成，当带有一定角度的光束入射到平行平板上，通过驱动电机控制两个平行平板的相对转动角度，出射光束会相对入射光束有一个位移偏移量。当平行平板倾斜角度一定时，两平板平行时，偏移量最大。当两个平板互补(平移量为0时)，两者之间有相互旋转时，在0～90°的范围内，平板偏移量会随着相对转角的增大而增大，图3为平行平板组偏移量示意图。

其中，光束随转角变化时的偏移量P：

加工孔径r：

加工孔锥度β：

其中f为聚焦镜焦距、θ₁为平行平板相对于水平方向倾斜的角度，θ₂为偏转光楔楔角、

为偏转光楔相对于初始合成偏转角为0时两光楔的相对转角、φ为两个平行平板相对于最小偏移量状态的相对转角、h表示两平行平板厚度之和、d为激光光束直径、n表示光楔和平板材料的折射率。即：光束偏移量由平行平板与水平方向的倾斜角决定；加工孔径由偏转光楔合成角和聚焦镜5焦距决定；加工孔锥度由平行平板总厚度、光束直径、下光楔到聚焦镜5的距离和聚焦镜5的焦距决定。因此，只要精确控制双光楔的相对转角和平行平板的倾斜度，就可以做到加工轨迹可编程、孔型可控。

本实用新型用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置的工作原理为：

飞秒激光器出射的光束先经过扩束器对光束进行扩束准直，再通过全反射棱镜9到达偏转光楔组的上偏转光楔1，依次经过偏转光楔组的下偏转光楔2，偏转光楔组在控制转角精度的情况下可以实现光束的精确偏转；偏转后的光束再依次进入平行平板组的上平板3、下平板4，平行平板组的上平板3和平行平板的下平板4两者夹角的不同可精确实现光束的平移距离；经过平移后的光束进入聚焦凸透镜，被聚焦的光束达到被加工件上，在工控机综合控制扫描分布、电机转速、激光功率、锥度等参数精确控制下，进行精确加工。

本实用新型用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置作为激光超精细制孔的核心装置是控制激光束实现高精度圆柱孔、锥孔及异型孔加工的关键技术，也是实现无热效应微加工的重要手段，采用超高平行度平板实现光束的平移控制，并与高精度的偏转光楔(≤0.1°)同步转动，满足光束微螺旋旋切扫描，并可根据加工需求合理规划扫描路径，适用于孔径及锥度可控的高精度高品质微孔加工。同时，采用运行状态监控技术，保障扫描装置的稳定性和可靠性。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，包括用于发射飞秒激光光束的飞秒激光器，其特征在于：还包括激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜(5)和协同控制模块；其中：

所述激光器控制模块包括沿光路方向依次设置的扩束器和全反射棱镜(9)，所述扩束器设置在所述飞秒激光器出射面上，所述全反射棱镜(9)设置在所述扩束器的出射面上；所述全反射棱镜(9)的下方依次垂直分布有所述光束偏转模块、光束平移模块和聚焦镜(5)；

所述光束偏转模块包括一偏转光楔组；所述偏转光楔组包括相对设置的上偏转光楔(1)和下偏转光楔(2)；

所述光束平移模块包括一平行平板组；所述平行平板组包括上平板(3)和下平板(4)；

所述协同控制模块分别与所述飞秒激光器、激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜(5)电性连接；控制入射的飞秒激光光速依次通过所述激光器控制模块、光束偏转模块、光束平移模块、聚焦镜(5)后对待加工工件(6)进行微孔加工。

2.根据权利要求1所述的一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，其特征在于：所述上偏转光楔(1)和下偏转光楔(2)的旋转轴以及光轴两两互相垂直。

3.根据权利要求1所述的一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，其特征在于：所述上平板(3)和下平板(4)为厚度相等的平行平板。

4.根据权利要求1所述的一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，其特征在于：所述上平板(3)和下平板(4)相互平行设置，且上平板(3)和下平板(4)相对于水平方向倾斜的角度范围为0～90°。

5.根据权利要求1所述的一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，其特征在于：所述扩束器包括扩束镜(7)和准直镜(8)。

6.根据权利要求1所述的一种用于微孔加工的飞秒激光光束轨迹扫描装置，其特征在于：所述飞秒激光器发射的激光束水平通过所述全反射棱镜(9)。

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