专利名称：激光环切打孔方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光打孔技术，具体地指一种激光环切打孔方法及其装置，用于薄板的微孔加工。
背景技术：
将激光打孔技术应用于薄板的微孔加工，已有较长的历史。但近年来该技术的发展较为缓慢，其中加工孔径不易控制是其主要的技术难点之一。这是因为激光的传输是在其发散角所包容的空间内呈圆柱状进行的，在垂直于激光光束传播方向的横截面上为实心圆形光斑，其能量分布在该实心圆的面积内，该激光光束通过成像透镜聚焦后呈圆锥状汇聚，在交汇处形成聚焦点。如果不考虑聚焦点的爆破效应，其穿孔直径与聚焦光斑的大小相吻合。然而激光及其光学系统的结构形式确定后，其聚焦光斑的大小也就确定了，虽然改变成像透镜的焦距可引起聚焦光斑直径的变化，改变输出功率也对聚焦光斑的大小有影响，但以此来控制所加工微孔直径的变化没有定量的标准。同时，对于较大孔径如孔径在φ0.4～1.0mm范围内的微孔加工而言，由于所需的聚焦光斑直径变大，相同功率的激光在聚焦光斑上所形成的功率密度就会呈几何级数下降，导致无法完成穿孔加工。故目前激光对于加工孔径在φ0.4～1.0mm范围内的微孔基本上没有什么好办法。而对于加工孔径在φ1.0mm以上的大孔，目前多采用激光沿其边缘切割的方式进行。但已有的激光切割机技术复杂、设备昂贵、效率低下，且对较小孔径的微孔加工几乎无能为力。上述几方面的不足阻碍了激光微孔加工技术的进一步发展。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种加工孔径适应范围广、加工孔径尺寸可定量调整，且加工效率高、所需成本低的激光环切打孔方法及其装置。
为实现上述目的，本发明所设计的激光环切打孔方法，是将激光发生器输出的横截面呈圆形的激光光束通过光环生成器转换成横截面呈圆环形的激光光束，再通过成像透镜对横截面呈圆环形的激光光束进行聚焦，同时根据需要获得的孔径大小调整好被加工薄板距离横截面呈圆环形的激光光束的聚焦点的位置，使横截面呈圆环形的激光光束在被加工薄板上形成相应孔径大小的环形光斑，该环形光斑即可将所投射到的薄板材料熔融汽化，从而实现被加工薄板的环切打孔。
上述方法中，还可通过前置缩束器压缩横截面呈圆形的激光光束，或/和通过后置缩束器压缩横截面呈圆环形的激光光束，以缩小实施该方法的激光环切打孔装置的体积。
为实施上述方法而专门设计的激光环切打孔装置，包括激光发生器和成像透镜，所说的激光发生器和成像透镜之间设置有使激光发生器输出的横截面呈圆形的激光光束转换成横截面呈圆环形的激光光束的光环生成器，所说的光环生成器由一对在空间上相对分离的负圆锥体光楔和正圆锥体光楔组合而成，该负圆锥体光楔和正圆锥体光楔以激光光束的传播方向为中心依次对称布置。横截面呈圆形的激光光束先通过负圆锥体光楔折射发散后，再通过正圆锥体光楔折射汇聚，转换成横截面呈圆环形的激光光束。
进一步地，在所说的激光发生器和光环生成器之间还设置有前置缩束器，或/和在所说的光环生成器和成像透镜之间还设置有后置缩束器。通过缩束器对激光光束的压缩，可相应地缩小光环生成器和成像透镜的尺寸，从而使整个装置的结构趋于轻便小巧。
本发明的优点在于所设计的激光打孔方法将在空间上呈圆柱状传播的激光光束，通过光环生成器转换成在空间上呈圆管状传播的激光光束，使激光光束的横截面光斑由原来的实心圆变为后来的空心圆环。这样，激光光束的能量分布发生了很大的变化，其绝大部分能量集中在圆环上，而不是在实心圆平面内。故相同激光发生器输出的相同功率的激光光束就会在圆环上形成很高功率密度的光环。该圆环形光斑通过成像透镜聚焦后，其大小随着它与聚焦点距离的不同而异，调整被加工薄板与该聚焦点之间的距离，可方便准确地在被加工薄板上获得不同大小的圆环形光斑投射。由于激光光束传播的能量都集中在此圆环形光斑上，其较高的功率密度确保了按圆环形光斑大小进行环切打孔的成功。对同样的激光发生器加工同样的孔径而言，由于圆环光斑环切所需的能量远低于实心光斑穿孔所需的能量，故采用本发明加工孔径的范围更广，可适于0.1～2mm的金属或非金属薄板打孔，且加工孔径的尺寸可根据被加工薄板与聚焦点之间的位置精确定量，环切打孔效率更高。同时本发明的装置结构简单可靠，成本十分低廉。
图1为本发明激光环切打孔方法的光路原理示意图；图2为一种组合式激光环切打孔装置的结构示意图；图3为一种分离式激光环切打孔装置的结构示意图。
具体实施例方式
从图1所示的激光环切打孔光路原理可知横截面呈圆形的激光光束1，通过前置缩束器3压缩后，入射到光环生成器4。光环生成器4采用一对在空间上相对分离的负圆锥体光楔4a和正圆锥体光楔4b组合而成，负圆锥体光楔4a和正圆锥体光楔4b的安装轴心与横截面呈圆形的激光光束1的中心重合，负圆锥体光楔4a和正圆锥体光楔4b的圆锥角应避免发生全反射。该圆形激光光束1在光环生成器4内经负圆锥体光楔4a折射发散、经正圆锥体光楔4b折射汇聚，输出准直的横截面呈圆环形的激光光束2，该圆环形激光光束2再经后置缩束器5压缩还原成较细的圆环形激光束，最后通过成像透镜6聚焦到被加工薄板7上。激光光束的能量在此过程中基本上没有损失，只是从原来的实心圆区域全部转移集中到了圆环上。调节圆环形激光光束2在被加工薄板7上的成像大小，即可形成不同大小的光斑圆环，进而加工成不同直径的通孔。
如图2所示的组合式激光环切打孔装置，具有一安装固定各种部件的光具座10，该光具座10的水平台面上从左至右依次布置有激光发生器8、前置缩束器3、光环生成器4、后置缩束器5和45°激光反射架11，该光具座10的右垂直侧壁上布置有成像透镜6，各种部件均可以通过安装支架9调整好位置并固定。被加工薄板7放置在成像透镜6下方的聚焦点附近，并可根据需要加工的孔径尺寸来进行位置调整。其光环生成器4的负圆锥体光楔4a和正圆锥体光楔4b安装固定在套筒中，其结构紧凑，在光路中的调节简便，但不可微调，其同轴度等指标由其本身的加工质量保证。
如图3所示的分离式激光环切打孔装置，其结构与上述组合式激光环切打孔装置基本相同，只是其光环生成器4的负圆锥体光楔4a和正圆锥体光楔4b分别安装固定在不同的套筒中，其间隔可根据需要调整，间隔越大所形成的光环也越大，光环的宽度相对于环直径也越细。虽然其安装调试较为复杂，但其同轴度等指标可通过精密调整实现，可修正其本身加工质量带来的误差。
上述两种激光环切打孔装置工作时，从激光发生器8输出的横截面呈圆形的激光光束1，通过前置缩束器3压缩后，进入光环生成器4，在光环生成器4内经负圆锥体光楔4a折射后呈锥形发散，再经正圆锥体光楔4b折射后汇聚，输出水平准直的横截面呈圆环形的激光光束2；然后该圆环形激光光束2射入后置缩束器5，被压缩还原成较细的环形激光束，并通过45°激光反射架11折转成垂直的环形激光束，最后通过成像透镜6聚焦而投射到被加工薄板7上。调节环形激光束在被加工薄板7上的成像大小，即可形成不同大小的光斑圆环，加工成不同直径的通孔。
权利要求
1.一种激光环切打孔方法，其特征在于该方法是将激光发生器(8)输出的横截面呈圆形的激光光束(1)通过光环生成器(4)转换成横截面呈圆环形的激光光束(2)，再通过成像透镜(6)对横截面呈圆环形的激光光束(2)进行聚焦，同时根据需要获得的孔径大小调整好被加工薄板(7)距离横截面呈圆环形的激光光束(2)的聚焦点的位置，使横截面呈圆环形的激光光束(2)在被加工薄板(7)上形成相应孔径大小的环形光斑，该环形光斑即可将所投射到的薄板材料熔融汽化，从而实现被加工薄板(7)的环切打孔。
2.根据权利要求1所述的激光环切打孔方法，其特征在于该方法是将所说的横截面呈圆形的激光光束(1)通过前置缩束器(3)压缩后，再通过光环生成器(4)将其转换成所说的横截面呈圆环形的激光光束(2)。
3.根据权利要求1或2所述的激光环切打孔方法，其特征在于该方法是将所说的横截面呈圆环形的激光光束(2)通过后置缩束器(5)压缩后，再通过成像透镜(6)对其进行聚焦。
4.一种实施权利要求1所述方法的激光环切打孔装置，包括激光发生器(8)和成像透镜(6)，其特征在于所说的激光发生器(8)和成像透镜(6)之间设置有使激光发生器(8)输出的横截面呈圆形的激光光束(1)转换成横截面呈圆环形的激光光束(2)的光环生成器(4)，所说的光环生成器(4)由一对在空间上相对分离的负圆锥体光楔(4a)和正圆锥体光楔(4b)组合而成，该负圆锥体光楔(4a)和正圆锥体光楔(4b)以激光光束的传播方向为中心依次对称布置。
5.根据权利要求4所述的激光环切打孔装置，其特征在于所说的激光发生器(8)和光环生成器(4)之间还设置有压缩横截面呈圆形的激光光束(1)的前置缩束器(3)。
6.根据权利要求4或5所述的激光环切打孔装置，其特征在于所说的光环生成器(4)和成像透镜(6)之间还设置有压缩横截面呈圆环形的激光光束(2)的后置缩束器(5)。
全文摘要
本发明公开了一种激光环切打孔方法及其装置，该方法是先将圆形的激光光束转换成圆环形的激光光束，再将圆环形的激光光束聚焦，同时根据需要获得的孔径大小调整好被加工薄板距离圆环形激光光束的聚焦点的位置，使圆环形激光光束在被加工薄板上形成相应孔径大小的环形光斑，该环形光斑即可将所投射到的薄板材料熔融汽化，从而实现被加工薄板的环切打孔。该装置主要是在激光发生器和成像透镜之间设置一光环生成器，该光环生成器由一对在空间上相对分离的负圆锥体光楔和正圆锥体光楔组合而成，用于实现上述圆形的激光光束向圆环形的激光光束的转变。本发明具有加工孔径适应范围广、加工孔径尺寸可定量调整，加工效率高、所需成本低等特点。
文档编号B23K26/073GK1647885SQ20041001269
公开日2005年8月3日 申请日期2004年1月30日 优先权日2004年1月30日
发明者钱惠国, 卢治, 石敏, 王晓晖, 万浩, 陈晓泉 申请人:武汉天宇激光数控技术有限责任公司