TWI616260B - 雷射加工裝置及雷射加工方法 - Google Patents

Abstract

一種雷射加工裝置具有一加工機具、一雷射源及一調變鏡組，該加工機具用以加工一工件，該雷射源輸出一雷射光束至該工件，該調變鏡組設置於該雷射源及該工件之間，該調變鏡組可選擇性地調變該雷射光束，以分別對該工件進行預熱加工、成形加工或後處理加工等不同雷射加工製程，因此該調變鏡組可提高該加工機具之加工效率。

Description

雷射加工裝置及雷射加工方法

本發明關於一種雷射加工裝置及雷射加工方法，特別是一種藉由調變鏡組選擇性調變雷射光束以進行不同雷射加工製程的雷射加工裝置及雷射加工方法。

習知切削製程是以加工機具之刀具切削一工件(如車削或銑削)，然而當該工件為陶瓷或超合金等不易切削之材料時，於切削過程中容易造成刀具磨損而降低機具壽命及切削效率，且產品精密度難以控制，因此如何提高加工機具之切削效率及產品精密度為一重要發展目標。

本發明之一種雷射加工裝置，其包含一加工機具、一雷射源及一調變鏡組，該加工機具用以加工一工件，該雷射源用以輸出一雷射光束，該調變鏡組具有一聚焦元件，該聚焦元件設置於該雷射光束之光路上。

本發明之主要目的在於藉由切換一調變鏡組中的不同元件，以選擇性地調變雷射光束，使得聚焦於一工件上的雷射光束可分別對該工件進行預熱加工、成形加工或後處理加工等不同製程。

其中當該調變鏡組中的一聚焦元件設置於雷射光束之光路上時，該聚焦元件可將雷射光束聚焦於該工件上以進行預熱加工。

其中當該調變鏡組中的一聚焦元件及一變焦元件設置於雷射光束之光路上時，該變焦元件可調變雷射光束之焦距，而該聚焦元件可將調變焦距後的雷射光束聚焦於該工件上以進行成形加工(如劃線、切割或雕刻等)。

其中當該調變鏡組中的一聚焦元件、一變焦元件及一勻化元件同時設置於雷射光束之光路上時，該變焦元件調變雷射光束之焦距後，由該勻化元件均勻化雷射光束之強度，最後以該聚焦元件將調變焦距及強度均勻化後的雷射光束聚焦於該工件上以進行後處理加工(如熱處理或拋光等)。

請參閱第1圖，一種雷射加工方法10包含「提供雷射源」步驟11、「提供調變鏡組」步驟12及「雷射加工工件」步驟13，該雷射加工方法10使用一雷射加工裝置100加工一工件200，該雷射加工裝置100具有一加工機具110、一雷射源120及一調變鏡組130，該加工機具110用以加工該工件200。

請參閱第1及2圖，於步驟11中提供該雷射源120，該雷射源120用以輸出一雷射光束L至該工件200，接著於步驟12中提供該調變鏡組130，該調變鏡組130設置於該雷射源120及該工件200之間，請參閱第3a及3b圖，在本發明之第一實施例中，該調變鏡組130具有一聚焦元件131，該聚焦元件131設置於該雷射光束L之光路上，較佳地，該聚焦元件131為一長聚焦鏡。

請參閱第1、2、3a及3b圖，於步驟13中以該雷射光束L雷射加工該工件200，當該雷射光束L通過該調變鏡組130之該聚焦元件131時，該聚焦元件131用以將該雷射光束L聚焦於該工件200以進行一預熱加工，較佳地，該雷射源120為具有連續輸出模式(CW mode)及脈衝輸出模式(Pulse mode)的準連續波(QCW)雷射源，在本實施例中，該雷射源120採用連續輸出模式(CW mode)輸出該雷射光束L至該工件200，以進行該預熱加工。

請參閱第2圖，較佳地，該加工機具110具有一本體111、一中空軸體112、一分光鏡組113及一刀具114，該雷射源120及該調變鏡組130設置於該本體111，該中空軸體112位於該本體111及該刀具114之間，該刀具114用以加工該工件200(如車削或銑削加工)，在本實施例中，該刀具114用以切削該工件200之一待加工區210，該加工機具110以一驅動件(圖未繪出)驅動該中空軸體112旋轉，該中空軸體112帶動該刀具114同步旋轉以切削該待加工區210，該中空軸體112具有一通道112a，該分光鏡組113設置於該通道112a內，該分光鏡組113用以 將該雷射光束L分光成一第一雷射次光束L1及一第二雷射次光束L2，並使該第一雷射次光束L1及該第二雷射次光束L2分別聚焦於該待加工區210同一平面上的相同位置或不同位置，使該待加工區210均勻預熱軟化，以提高該刀具114加工該待加工區210之效率及精度。

請參閱第2圖，較佳地，該分光鏡組113具有一分光鏡113a、一第一反射鏡113b、一第二反射鏡113c及一第三反射鏡113d，該分光鏡113a及該第二反射鏡113c位於該雷射光束L之光路上，該第一反射鏡113b及該第三反射鏡113d分別設置於該分光鏡113a之兩側，該分光鏡113a用以該雷射光束L分光成該第一雷射次光束L1及該第二雷射次光束L2，該分光鏡113a將該第一雷射次光束L1反射至該第一反射鏡113b，緊接著該第一反射鏡113b將該第一雷射次光束L1反射至該待加工區210以預熱軟化該待加工區210，該第二雷射次光束L2穿射該分光鏡113a後射向該第二反射鏡113c，該第二反射鏡113c將該第二雷射次光束L2反射至該第三反射鏡113d，緊接著該第三反射鏡113d將該第二雷射次光束L2反射至該待加工區210以預熱軟化該待加工區210，在本實施例中，該第一反射鏡113b、該第二反射鏡113c及該第三反射鏡113d皆為全反射鏡。

請參閱第2、4a及4b圖，其為本發明之第二實施例，一種雷射加工裝置100具有一加工機具110、一雷射源120及一調變鏡組130，該雷射源120用以輸出一雷射光束L，該雷射光束L通過該加工機具110以加工一工件200，該調變鏡組130設置於該雷射源120及該工件200之間，該調變鏡組130具有一聚焦元件131及一變焦元件132，該聚焦元件131及該變焦元件132皆設置於該雷射光束L之光路上，且該變焦元件132位於該雷射源120及該聚焦元件131之間。

請參閱第1、4a及4b圖，於步驟13中，當該雷射光束L依序通過該 變焦元件132及該聚焦元件131時，該變焦元件132用以調變該雷射光束L之焦距，而該聚焦元件131用以將調變焦距後的該雷射光束L聚焦於該工件200以進行一成形加工，較佳地，該成形加工為劃線、切割或雕刻等精密製程，在本實施例中，該雷射源120採用脈衝輸出模式(Pulse mode)輸出該雷射光束L至該工件200，以進行該成形加工。

請參閱第4a及4b圖，在本實施例中，該聚焦元件131為一長聚焦鏡，該變焦元件132具有一平凸透鏡132a(plano-convex lens)及一平面透鏡132b(flat lens)，該平面透鏡132b位於該平凸透鏡132a及該聚焦元件131之間，藉由該平凸透鏡132a及該平面透鏡132b調變該雷射光束L之光斑形狀及焦距，並擴大該雷射光束L之束徑，因此調變後的該雷射光束L可經由該聚焦元件131聚焦於該工件200上以進行該成形加工。

請參閱第2、5a及5b圖，其為本發明之第三實施例，一種雷射加工裝置100具有一加工機具110、一雷射源120及一調變鏡組130，該加工機具110用以加工一工件200，該雷射源120用以輸出一雷射光束L至該工件200，該調變鏡組130設置於該雷射源120及該工件200之間，該調變鏡組130具有一聚焦元件131、一變焦元件132及一勻化元件133，該勻化元件133位於該變焦元件132及該聚焦元件131之間，且該聚焦元件131、該變焦元件132及該勻化元件133皆設置於該雷射光束L之光路上。

請參閱第1、5a及5b圖，於步驟13中，當該雷射光束L依序通過該變焦元件132、該勻化元件133及該聚焦元件131時，首先該變焦元件132用以調變該雷射光束L之焦距，接著該勻化元件133用以均勻化調變焦距後的該雷射光束L之強度，最後該聚焦元件131用以將強度均勻化後的該雷射光束L聚焦於該工 件200以進行一後處理加工，較佳地，該後處理加工為熱處理或表面拋光。

當該聚焦元件131將完成焦距調變及強度均勻化的該雷射光束L聚焦於該工件200時，該雷射光束L於該工件200上形成一均勻光斑，該均勻光斑可對該工件200進行熱處理以提高該工件200之強度，或對該工件200之進行表面拋光以降低該工件200之表面粗糙度，較佳地，該雷射源120可採用連續輸出模式(CW mode)輸出該雷射光束L以熱處理該工件200，或採用脈衝輸出模式(Pulse mode)輸出該雷射光束L以拋光該工件200。

請參閱第5a及5b圖，在本實施例中，該變焦元件132具有一平凸透鏡132a(plano-convex lens)及一平面透鏡132b(flat lens)，該平面透鏡132b位於該平凸透鏡132a及該勻化元件133之間，藉由該平凸透鏡132a及該平面透鏡132b調變該雷射光束L之光斑形狀及焦距，並擴大該雷射光束L之束徑以進入該勻化元件133中。

請參閱第5a及5b圖，在本實施例中，該勻化元件133具有一第一微透鏡陣列133a(microlens array)、一第二微透鏡陣列133b(microlens array)及一傅立葉透鏡133c(Fourier lens)，該第二微透鏡陣列113b位於該第一微透鏡陣列113a及該傅立葉透鏡113c之間，該第一微透鏡陣列133a鄰近該變焦元件132之該平面透鏡132b，該傅立葉透鏡133c鄰近該聚焦元件131，該第一微透鏡陣列133a及該第二微透鏡陣列133b將調變焦距後的該雷射光束L轉變成複數個平行光束，該些平行光束通過該傅立葉透鏡133c後相互交疊於該聚焦元件131，該聚焦元件131將該些相互交疊的平行光束聚焦於該工件200上，以形成該均勻光斑用以對該工件200進行熱處理或拋光等製程，較佳地，該聚焦元件131為一長聚焦鏡。

本發明藉由切換該調變鏡組130中的該聚焦元件131、該變焦元件132及該勻化元件133以選擇性地調變該雷射光束L，將不同的光路系統整合成一個可調變光路系統以因應不同加工製程，藉由該調變鏡組130可使用單一雷射源分別進行該預熱加工(預熱軟化)、該成形加工(劃線、切割或雕刻)及該後處理加工(熱處理或拋光)，因此可提高加工效率，並可大幅減少因應不同製程道次轉移工作站的作業時間。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

10‧‧‧雷射加工方法

11‧‧‧提供雷射源

12‧‧‧提供調變鏡組

13‧‧‧雷射加工工件

100‧‧‧雷射加工裝置

110‧‧‧加工機具

111‧‧‧本體

112‧‧‧中空軸體

112a‧‧‧通道

113‧‧‧分光鏡組

113a‧‧‧分光鏡

113b‧‧‧第一反射鏡

113c‧‧‧第二反射鏡

113d‧‧‧第三反射鏡

114‧‧‧刀具

120‧‧‧雷射源

130‧‧‧調變鏡組

131‧‧‧聚焦元件

132‧‧‧變焦元件

132a‧‧‧平凸透鏡

132b‧‧‧平面透鏡

133‧‧‧勻化元件

133a‧‧‧第一微透鏡陣列

133b‧‧‧第二微透鏡陣列

133c‧‧‧傅立葉透鏡

200‧‧‧工件

210‧‧‧待加工區

L‧‧‧雷射光束

L1‧‧‧第一雷射次光束

L2‧‧‧第二雷射次光束

第1圖：依據本發明之較佳實施例，一種雷射加工方法之流程圖。 第2圖：依據本發明之第一實施例，一種雷射加工裝置之局部剖視圖。 第3a圖：依據本發明之第一實施例，一雷射源及一調變鏡組之示意圖。 第3b圖：依據本發明之第一實施例，該調變鏡組之示意圖。 第4a圖：依據本發明之第二實施例，一雷射源及一調變鏡組之示意圖。 第4b圖：依據本發明之第二實施例，該調變鏡組之示意圖。 第5a圖：依據本發明之第三實施例，一雷射源及一調變鏡組之示意圖。 第5b圖：依據本發明之第三實施例，該調變鏡組之示意圖。

Claims (8)

1. 一種雷射加工裝置，其包含：一加工機具，用以加工一工件；一準連續波雷射源，用以輸出一雷射光束至該工件；以及一調變鏡組，設置於該準連續波雷射源及該工件之間，該調變鏡組具有一聚焦元件、一變焦元件及一勻化元件，切換該調變鏡組之該聚焦元件、該變焦元件及該勻化元件以選擇性地調變該雷射光束，當切換該調變鏡組使該聚焦元件設置於該雷射光束之光路上時，該雷射光束通過該聚焦元件，該聚焦元件用以將該雷射光束聚焦於該工件以進行一預熱加工，當切換該調變鏡組使該聚焦元件及該變焦元件設置於該雷射光束之光路上，且該變焦元件位於該準連續波雷射源及該聚焦元件之間時，該雷射光束依序通過該變焦元件及該聚焦元件，該變焦元件用以調變該雷射光束之焦距，該聚焦元件用以將調變焦距後的該雷射光束聚焦於該工件以進行一成形加工，當切換該調變鏡組使該聚焦元件、該變焦元件及該勻化元件設置於該雷射光束之光路上，且該勻化元件位於該變焦元件及該聚焦元件之間時，該雷射光束依序通過該變焦元件、該勻化元件及該聚焦元件，該變焦元件用以調變該雷射光束之焦距，該勻化元件用以均勻化調變焦距後的該雷射光束之強度，該聚焦元件用以將強度均勻化後的該雷射光束聚焦於該工件以進行一後處理加工。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工裝置，其中該聚焦元件為一長聚焦鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工裝置，其中該變焦元件具有一平凸透鏡及一平面透鏡，該平面透鏡位於該平凸透鏡及該聚焦元件之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工裝置，其中該勻化元件具有一第一微透鏡陣列、一第二微透鏡陣列及一傅立葉透鏡，該第二微透鏡陣列位於該第一微透鏡陣列及該傅立葉透鏡之間。
5. 一種雷射加工方法，其包含：提供一雷射加工裝置，該雷射加工裝置具有一加工機具、一準連續波雷射源及一調變鏡組，該加工機具用以加工一工件，該準連續波雷射源用以輸出一雷射光束至該工件，該調變鏡組位於該準連續波雷射源及該工件之間，該調變鏡組具有一聚焦元件、一變焦元件及一勻化元件；以及雷射加工該工件，切換該調變鏡組之該聚焦元件、該變焦元件及該勻化元件以選擇性地調變該雷射光束，當切換該調變鏡組使該聚焦元件設置於該雷射光束之光路上時，該雷射光束通過該聚焦元件，該聚焦元件用以將該雷射光束聚焦於該工件以進行一預熱加工，當切換該調變鏡組使該聚焦元件及該變焦元件設置於該雷射光束之光路上，且該變焦元件位於該準連續波雷射源及該聚焦元件之間時，該雷射光束依序通過該變焦元件及該聚焦元件，該變焦元件用以調變該雷射光束之焦距，該聚焦元件用以將調變焦距後的該雷射光束聚焦於該工件以進行一成形加工，當切換該調變鏡組使該聚焦元件、該變焦元件及該勻化元件設置於該雷射光束之光路上，且該勻化元件位於該變焦元件及該聚焦元件之間時，該雷射光束依序通過該變焦元件、該勻化元件及該聚焦元件，該變焦元件用以調變該雷射光束之焦距，該勻化元件用以均勻化調變焦距後的該雷射光束之強度，該聚焦元件用以將強度均勻化後的該雷射光束聚焦於該工件以進行一後處理加工。
6. 如申請專利範圍第5項所述之雷射加工方法，其中該聚焦元件為一 長聚焦鏡。
7. 如申請專利範圍第5項所述之雷射加工方法，其中該變焦元件具有一平凸透鏡及一平面透鏡，該平面透鏡位於該平凸透鏡及該聚焦元件之間。
8. 如申請專利範圍第5項所述之雷射加工方法，其中該勻化元件具有一第一微透鏡陣列、一第二微透鏡陣列及一傅立葉透鏡，該第二微透鏡陣列位於該第一微透鏡陣列及該傅立葉透鏡之間。