专利名称：一种激光扫描加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种具备辅助气体空间流动控制功能的激光扫描加工装置。
背景技术：
激光切割中会产生高速喷射等离子云，以及四处飞溅的被切割材料粉尘。这些材料粉尘会严重污染和损伤聚焦透镜，同时严重影响激光聚焦和激光切割质量。激光切割机目前均采用静态聚焦与激光束同轴吹气方式，在激光切割中辅助吹气的作用有以下几点:第一、对于金属激光切割机切割的易氧化的金属表面，吹氧气提高了表面对激光的吸收率。在激光加热过程中吹氧气，金属表面迅速氧化，反射率迅速降低，减少了表面对激光能量的反射损耗。第二、激光加工中在激光加热和吹氧过程中，氧化反应放出了大量热量，补充了切割中需要的热能。第三、与激光束同轴吹气，可以吹开和消除等离子云对激光的屏蔽作用，保持恒定的切割速度。第四、在激光切割过程中，同轴吹气可以吹掉缝隙里的熔融金属，提高切割速度。第五、激光切割过程中，与激光束同轴吹气，可以吹散在切割时向上喷射的物质，从而保护了聚焦透镜不受污染和损坏。当然还有非金属激光切割机的吹气过程中使我们的工作效率、效果都有提升。至于振镜扫描聚焦的激光加工方式中，业内均采取抽气的办法，把激光加工产生的粉尘抽走以保护聚焦镜和振镜镜片，所谓抽气，就是气体流向与激光传输方向相反。由于振镜扫描聚焦的激光束传输方位是动态变化的，目前还没有好的吹气办法，使得气流方向与激光束传输方向一致或者基本一致，达到抑制激光加工产生的火花和等离子的产生，因此一直不可以实现上述静态聚焦激光束同轴吹气的效果，多年以来无人解决这个技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光扫描加工装置，在激光扫描的同时，能够实现分布式轴向或近轴辅助吹气功能，达到抑制或者消除激光加工中产生的火花和等离子云的效果。本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种激光扫描加工装置，包括振镜扫描聚焦模块、正压气体腔和/或负压气体腔、吹气掩模板。为了描述方便，对于上述各组成部分，激光入射的一面定义为激光入射面，激光出射的一面定义为激光出射面；或者，激光入射的一端定义为激光入射端，激光出射的一端定义为激光出射端。所述吹气掩模板，位于待加工材料上方，其上开有一个或者多个气流窗口，便于加工激光束通过。以激光扫描运动时不挡住激光传输并到达待加工材料为标准，该气流窗口的形状可根据待激光加工图案的形状或者激光加工轨迹形状进行设置，气流窗口的尺寸大于所述待激光加工图案尺寸或者大于激光加工轨迹线宽尺寸，或者气流窗口的形状和尺寸根据辅助吹气气流状态要求进行设置。所述正压气体腔和/或负压气体腔用于在所述吹气掩模板的激光入射面与激光出射面形成气压差，使得在吹气掩模板各气流窗口位置形成与激光传输方向相同或者接近的辅助吹气气流。由于所述吹气掩模板的激光出射面直接面对待加工工件，因此与待加工工件表面处于同一空间，所述辅助吹气气流直接吹向待加工零件表面。所述正压气体腔包括位置相对的正压气体腔激光入射端和正压气体腔激光出射端，所述正压气体腔上设有进气口和排气口，所述正压气体腔内部气压大于外界气压。所述负压气体腔设有进气口和排气口，所述负压气体腔内部气压小于外界气压。所述振镜扫描聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，或者所述振镜扫描聚焦模块包括动态聚焦镜和扫描振镜。当扫描振镜与扫描平场聚焦镜配合时，所述扫描振镜用于改变发射到其上的入射激光束的传输方位，所述扫描振镜包括第一反射镜、用于驱动第一反射镜的第一电机、第二反射镜、用于驱动第二反射镜的第二电机以及扫描振镜外壳，所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一反射镜、第一电机、第二反射镜以及第二电机位于所述扫描振镜外壳内，所述第一反射镜安装在第一电机的主轴上，所述第二反射镜安装在第二电机的主轴上，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直，所述第一反射镜用于接收并反射发射到其上的光束，以形成发射给所述第二反射镜的反射光束，所述第二反射镜接收并反射所述反射光束，以形成发射到所述扫描平场聚焦镜上的扫描光束。所述扫描平场聚焦镜，位于所述扫描振镜输出扫描光束的一侧，用于接收所述扫描光束，并对所述扫描光束进行聚集，以形成聚焦的第一光束，所述第一光束通过正压气体腔和/或负压气体腔和所述吹气掩模板上的气流窗口发射到待加工对象上，对工件进行激光加工。所述平场聚焦镜包括普通f-theta透镜和远心平场聚焦镜。所述正压气体腔，一种空心结构，可以定义激光光束入射端为正压气体腔激光入射端，激光光束出射面为正压气体腔出射激光端。其内部空间大小和形状可以容纳平场聚焦镜且可以容纳激光束在振镜控制下不受遮挡地摆动，所述正压气体腔，安装于扫描振镜下方，且把平场扫描聚焦镜包围在内，或者安装在平场扫描聚焦镜上。所述平场扫描聚焦镜可以直接安装在扫描振镜上，或者与正压气体腔安装成一体。所述正压气体腔与扫描振镜或者扫描平场聚焦镜之间处于密封状态，所述吹气掩模板位于所述正压气体腔激光出射面。或者所述正压气体腔，安装于平场扫描聚焦镜下方，其激光入射面采用激光透明光学玻璃密封，激光光束从平场扫描聚焦镜出射，透过所述激光透明光学玻璃进入所述正压气体腔，此时所述正压气体腔内部正压气体被所述激光透明光学玻璃挡在所述正压气体腔内部。总之，所述正压气体腔与扫描振镜或者平场扫描聚焦镜之间的装配处于密封状态，或者所述正压气体腔激光入射面用激光透明光学玻璃密封，以减少和避免正压气体泄漏。所述吹气掩模板安装在正压气体腔出射激光面，且具备一定厚度并尽可能靠近待加工工件表面，以形成好的吹气效果；所述正压气体腔的安装一个或者多个进气口，所述正压气体通过所述吹气掩模板事先开挖好的气流窗口排出，其排气方向与激光传输方向一致或者基本一致，选择一定厚度的吹气掩模板，设计和加工好所开气流窗口的截面形状，这样每一个气流窗口都具备同轴或近轴吹气气嘴功能。通过调整所述正压气体腔内部的气体压力、成分，可以在激光扫描加工时，实现分布式同轴或近轴辅助吹气功能。
所述负压气体腔，安装于正压气体腔底部或者所述吹气掩模板底部，其结构可以根据具体加工零件以及加工区域形状确定。所述负压气体腔进气口位于负压气体腔靠近吹气模板底部或者边缘的位置，或者所述吹气掩模板位于所述负压气体腔激光入射面，所述吹气掩模板上所开气流窗口作为所述负压气体腔的进气口，即正压气体腔与负压气体腔通过所述吹气掩模板连接，所述正压气体腔与负压气体腔位于所述吹气掩模板两侧。所述负压气体腔排气口可以安装在远离进气口的位置，例如所述负压气体腔的侧面或者是所述固定待加工工件的工作台上设置有通孔，并在底部安装负压气体腔排气孔，此时所述待加工工件工作台也是负压气体腔的一部分。或者所述吹气掩模板位于所述负压气体腔激光入射面，且待加工工件位于负压气体腔内部，并安装于工作台上。此时可以不需要正压气体腔就可以在所述吹气掩模板各气流窗口形成与激光传输方向相同或者接近的吹气气流。此时所述吹气掩模板的各气流窗口即为负压气体腔的进气口，所述固定待加工工件的工作台设置有负压气体腔排气孔，此时所述工作台也是负压气体腔的一部分；或在所述负压气体腔侧面安装一个或者多个排气孔。进一步，所述吹气掩模板可以随时拆卸，例如所述吹气掩模板挪开，待加工工件放进去，并定位完毕，所述吹气掩模板安装并定位好即可，等待激光加工完毕，所述吹气掩模板再次挪开，便于待加工工件的取出。这一过程可以用自动化执行机构完成。如果激光扫描聚焦系统的聚焦装置为动态聚焦镜，即当所述振镜扫描聚焦模块包括动态聚焦镜和扫描振镜这种情况时，动态聚焦镜位于扫描振镜前面，所述动态聚焦镜包括至少两个串联的透镜，通过动态调整内部透镜之间的间距，对发射到其上的入射激光束进行动态聚焦，以形成发射到所述扫描振镜上的聚焦光束；所述扫描振镜，位于所述动态聚焦镜输出聚焦光束的一侧，用于改变发射到其上的聚焦光束的传输方位，所述扫描振镜包括第一反射镜、用于驱动第一反射镜的第一电机、第二反射镜、用于驱动第二反射镜的第二电机以及扫描振镜外壳，所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一反射镜、第一电机、第二反射镜以及第二电机位于所述扫描振镜外壳内，所述第一反射镜安装在第一电机的主轴上，所述第二反射镜安装在第二电机的主轴上，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直，所述第一反射镜用于接收并反射发射到其上的光束，以形成发射给所述第二反射镜的反射光束，所述第二反射镜接收并反射所述反射光束，以形成第一光束，所述第一光束通过正压气体腔和/或负压气体腔和所述吹气掩模板上的气流窗口发射到待加工对象上。所述正压气体腔，安装于扫描振镜下方，与扫描振镜外壳密封联接，在扫描振镜的激光传输入口放置密封平板玻璃，所述密封平板玻璃与所述扫描振镜外壳密封装配在一起，以减少和避免气体泄漏，但可以允许激光光束通过并进入扫描振镜。或者所述正压气体腔，安装于扫描振镜下方，其激光入射面采用透明光学玻璃密封，所述第一光束从所述扫描振镜出射，透过所述透明光学玻璃进入所述正压气体腔，此时所述正压气体腔内部正压气体被所述透明光学玻璃挡在所述正压气体腔内部。所述吹气掩模板安装在正压气体腔出射激光端，且具备一定厚度并尽可能靠近待加工工件表面，以形成好的吹气效果；所述正压气体腔的安装一个或者多个进气口，所述正压气体通过所述吹气掩模板事先开挖好的气流窗口排出，其排气方向与激光传输方向一致或者基本一致，选择一定厚度的吹气掩模板，设计和加工好所开气流窗口的截面形状，这样每一个气流窗口都具备同轴吹气气嘴功能。通过调整所述正压气体腔内部的气体压力、成分，可以在激光扫描加工时，实现分布式同轴或近轴辅助吹气功能。所述负压气体腔，安装于正压气体腔底部或者所述吹气掩模板底部，其结构可以根据具体加工零件以及加工区域形状确定。所述负压气体腔进气口位于负压气体腔靠近吹气模板底部或者边缘的位置，或者所述吹气掩模板位于所述负压气体腔激光入射面，所述吹气掩模板上所开气流窗口作为所述负压气体腔的进气口，即正压气体腔与负压气体腔通过所述吹气掩模板连接，所述正压气体腔与负压气体腔位于所述吹气掩模板两侧。所述负压气体腔排气口可以安装在远离进气口的位置，例如所述负压气体腔的侧面或者是所述固定待加工工件的工作台上设置有通孔，并在底部安装负压气体腔排气孔，此时所述待加工工件工作台也是负压气体腔的一部分。或者所述吹气掩模板位于所述负压气体腔激光入射面，且待加工工件位于负压气体腔内部，并安装于工作台上。此时可以不需要正压气体腔就可以在所述吹气掩模板各气流窗口形成与激光传输方向相同或者接近的吹气气流。此时所述吹气掩模板的各气流窗口即为负压气体腔的进气口，所述固定待加工工件的工作台设置有负压气体腔排气孔，此时所述工作台也是负压气体腔的一部分；或在所述负压气体腔侧面安装一个或者多个排气孔。进一步，所述吹气掩模板可以随时拆卸，例如所述吹气掩模板挪开，待加工工件放进去，并定位完毕，所述吹气掩模板安装并定位好即可，等待激光加工完毕，所述吹气掩模板再次挪开，便于待加工工件的取出。这一过程可以用自动化执行机构完成。进一步，所述正压气体腔里面的气体为空气或者氧化性气体或者保护性气体或者还原性气体或者氧化性气体和保护性气体的组合或者还原性气体与氧化性气体的组合或者雾气，所述吹气掩模板激光入射面的气体压力大于所述吹气掩模板激光出射面的气体压力，也大于待加工工件所处环境的气体压力。所述空气是激光加工设备所处环境空气；所述氧化性气体指与待加工工件材料在一定条件下可以发生氧化化学反应的气体，例如氧气；所述还原性气体是指与待加工工件材料在一定条件下可以发生还原化学反应的气体，例如氢气；所述保护性气体是指阻止待加工工件材料在一定条件下发生氧化化学反应或还原化学反应的气体，例如氮气、二氧化碳、惰性气体等；所述雾气为液体与气体的混合雾状形态，例如水雾。进一步，所述吹气掩模板材料为金属材料或者玻璃材料或者蓝宝石材料或者陶瓷材料或者其它透明光学材料。进一步，所述扫描振镜前放置光束旋转模块或者光束摆动调制模块。所述光束旋转模块，是采用透射光学元件，在电机驱动下高速旋转从而带动所述透射光学元件旋转进而输出旋转光束的装置，特别是所述透射光学元件安装于高速空心主轴电机的光束旋转装置；所述光束摆动调制模块，是采用透射光学元件或者反射光学元件或者衍射光学元件的作用下，这些光学兀件的出射光束相对于入射光束在传输方向上发生偏移，可以实现光束摆动空间轨迹调制。本发明的目的在于:在激光扫描加工时，采用正压气体腔和/或负压气体腔配合吹气掩模板，能够非常准确地施加与激光传输方向相同或者接近的强气流，对振镜扫描的激光加工起到非常好的同轴或者近轴辅助吹气作用，并快速干净收集激光加工生成的粉尘。通过调整气流的气体成分、流量、压力、流速等，配合激光参数(例如脉冲能量，脉冲重复频率，脉冲宽度、聚焦光斑大小等)以及振镜扫描等有关的激光光束运动控制的轨迹与速度等参数，可以得到非常好的加工效果和加工效率。本发明的工作原理如下:在扫描振镜摆动扫描控制下，也可以加入激光光束旋转运动控制装置或者激光光束摆动运动控制装置，激光束可以进行各种空间轨迹的运动；在平场扫描聚焦镜或者动态聚焦镜的作用下，激光束可以完成聚焦；所述吹气掩模板，位于待加工材料上方，其按照预定激光切割图形的轮廓适当放大或者根据控制辅助气流状态的需要挖出一个或多个气流窗口，用于激光束对待加工材料进行加工时从对应气流窗口通过，选择一定厚度的吹气掩模板，设计和加工好所开气流窗口的截面形状，这样每一个气流窗口都具备同轴或近轴辅助吹气气嘴功能；所述正压气体腔和/或负压气体腔使得吹气掩模板的激光入射面和待加工材料表面形成了气压差；这样所述吹气掩模板各气流窗口形成与激光传输方向相同或者接近的吹气气流，实现了分布式同轴或近轴辅助吹气功能。本发明的有益效果是:本发明由于采用了扫描振镜、动态聚焦镜或者平场扫描聚焦镜、吹气掩模板、正压气体腔和/或负压气体腔，解决了激光振镜扫描聚焦加工时大幅面激光加工辅助吹气的难题，是一种激光振镜扫描聚焦的激光加工方式的分布式辅助吹气的解决方案，是很大的技术进步，适合于大批量工业生产。本发明的好处有但不限于以下几个方面:第一、对于切割易氧化的金属表面，吹氧气提高了表面对激光的吸收率。在激光加热过程中吹氧气，金属表面迅速氧化，反射率迅速降低，减少了表面对激光能量的反射损耗，使得振镜扫描激光加工效率得到提高。第二、在激光加热和吹氧过程中，氧化反应放出了大量热量，补充了切割中需要的热能，有助于提高振镜扫描激光加工效率。第三、合理调整所述吹气掩模板两侧的气体压力差，合理设计吹气掩模板的厚度和开窗截面形状，合理设计负压气体腔的结构和分布，可以吹开和消除等离子云对激光的屏蔽作用，极大提高振镜扫描激光加工的加工质量，扩大振镜扫描加工对象范围。第四、在激光切割过程中，合理设计吹气参数，包括压力差、吹气掩模板的厚度和开窗截面形状等，可以吹掉切割缝隙熔渣，提高振镜扫描切割速度。第五、激光切割过程中，由于吹气方向与激光传输方向相同或者接近，可以吹散在切割时向上喷射的粉尘，从而保护了平场扫描聚焦透镜不受污染和损坏，平场扫描聚焦透镜经常被激光加工粉尘污染是目前激光行业普遍存在的一个问题。第六，对于振镜扫描激光焊接，本方案可以提供很好的保护性气氛保护焊点的气体环境。第七，本技术方案在解决了分布式大幅面同轴或者近轴吹气问题的同时，可以很好解决激光加工粉尘收集问题。
图1为本发明实施例1硅片激光钻孔的装置结构示意图；图2为本发明实施例2低温共烧陶瓷激光钻孔的装置结构示意图；图3为本发明实施例3铜片激光钻孔的装置结构示意图；图4为本发明实施例4印刷电路板激光分板的装置结构示意图5是图4在A-A处的俯视剖面图。附图中，各标号所代表的部件列表如下:1、入射光束,2、第二电机的电机主轴,3、第二反射镜,4、扫描光束,5、反射光束,6、第一反射镜，7、第一电机，8、第一电机的电机主轴,9、扫描振镜外壳,10、平场扫描聚焦镜，11、正压气体腔，12、第一光束，13、负压气体腔，14、吹气掩模板，15、待加工工件，16、动态聚焦镜，17、光学平板密封玻璃，18、聚焦光束，19、工作台，20、振镜扫描聚焦模块，21、透明玻璃，22、气流窗口，23、凹槽。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例1:图1为硅片激光钻孔的装置结构示意图，如图1所示:硅片激光钻孔的装置包括振镜扫描聚焦模块20、正压气体腔11、吹气掩模板14、负压气体腔13。所述振镜扫描聚焦模块20包括扫描振镜和平场扫描聚焦镜10。所述扫描振镜包括第一反射镜6、用于驱动第一反射镜6的第一电机7、第二反射镜3、用于驱动第二反射镜3的第二电机以及扫描振镜外壳9,所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一反射镜6、第一电机7、第二反射镜3以及第二电机位于所述扫描振镜外壳9内。所述扫描振镜的第一反射镜6安装在扫描振镜的第一电机7的电机主轴8上。所述扫描振镜的第二反射镜3安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴2上。所述平场扫描聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜10，远心扫描聚焦镜10的焦距为256毫米，平场聚焦范围156毫米X 156毫米。所述正压气体腔11采用I毫米厚度不锈钢板生产，其激光入射端固定于远心扫描平场聚焦镜10上，且气密性联接，其侧面安装4个对称的进气口(图中没有显示)，用于正压气体的补充，维持正压气体腔内部气体正压力。所述平场扫描聚焦镜10安装于所述扫描振镜外壳9上。所述吹气掩模板14，采用I毫米不锈钢板生产，事先按照硅片15上所需要加工的图形轮廓，在所述吹气掩模板14挖出相同形状的气流窗口 22，气流窗口 22尺寸上比工件上需要加工的轮廓尺寸扩大I毫米。吹气掩模板14安装于所述正压气体腔11的激光出射端，并且尽可能与待加工工件15平行，且该吹气掩模板14与待加工工件15间距约为6毫米。所述待加工工件15为200微米厚度多晶硅硅片。所述负压气体腔13，采用I毫米不锈钢板生产，安装于所述正压气体腔侧面下端，其进气口延伸到所述吹气掩模板下方；所述负压气体腔侧面安装4个对称的抽气口(图中没有显示)，以维持负压气体腔内部气体负压力。整个硅片激光钻孔的装置结构中的光路流程如下:入射光束I经扫描振镜第一反射镜6反射得到反射光束5，所述反射光束5经扫描振镜的第二反射镜片3反射得到扫描光束4，所述扫描光束4经远心扫描聚焦镜10进行聚焦，得到聚焦的第一光束12，所述第一光束12穿过吹气掩模板14后，直接作用于待加工工件15。所述入射光束I为直径为15毫米的入射扩束准直光束。所述第一光束12的相关参数如下:激光波长532纳米,光束质量因子小于1.2,光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹。在必要的情况下，所述吹气掩模板14上面可以开若干个与待加工工件定位的对位孔，通过机器视觉定位确认吹气掩模板14与硅片的空间位置关系是否准确。本实施例这种加工方式的好处是，解决了振镜扫描聚焦模块的辅助吹气难题，大幅提高了激光加工的质量与效率。本实施例还可以应用于陶瓷、金刚石、单晶硅硅片的钻孔与划片，低温共烧陶瓷的钻孔与划片，柔性电路板振镜扫描激光加工，印刷电路板硬板的振镜扫描分板加工，铜箔以及其他金属薄片的振镜扫描钻孔与切割等，其应用非常广泛，效果提高非常明显。所述远心扫描聚焦镜的加工范围毕竟还是有限，如果加工幅面还不够大，实际上还可以把所述待加工硅片置于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米X200毫米的通常称为大面积。实施例2:图2为低温共烧陶瓷激光钻孔的装置结构示意图，如图2所示:低温共烧陶瓷激光钻孔的装置包括振镜扫描聚焦模块20、正压气体腔11、吹气掩模板14和负压气体腔13。所述振镜扫描聚焦模块20包括动态聚焦镜16和扫描振镜。所述动态聚焦镜16，波长1064纳米，中心焦距500毫米，聚焦光斑50微米。所述扫描振镜包括第一反射镜6、用于驱动第一反射镜6的第一电机7、第二反射镜3、用于驱动第二反射镜3的第二电机以及扫描振镜外壳9。所述第一反射镜6、第一电机7、第二反射镜3以及第二电机位于所述扫描振镜外壳9内。所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口。所述扫描振镜的第一反射镜6安装在扫描振镜的第一电机7的电机主轴8上。所述扫描振镜的第二反射镜片3安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴2上,所述第一电机的电机主轴8与所述第二电机的电机主轴2相互垂直。所述扫描振镜外壳9的激光入射口安装有光学平板密封玻璃17，该光学平板密封玻璃17与扫描振镜外壳9密封连接。所述光学平板密封玻璃17为光学平板玻璃，两面镀1064纳米波长增透膜，厚度10毫米。所述正压气体腔11采用I毫米厚度不锈钢板生产，其激光入射面固定于所述扫描振镜外壳9上，且气密性联接，其侧面安装四个对称的进气口(图中没有显示)，用于正压气体的补充，维持正压气体腔内部气体正压力。所述吹气掩模板14，采用I毫米不锈钢板生产，事先按照所述低温共烧陶瓷上所需要加工的图形轮廓，在所述吹气掩模板14上挖出相同形状的气流窗口 22，轮廓尺寸上比低温共烧陶瓷上需要加工的轮廓尺寸扩大0.5毫米。吹气掩模板安装于所述正压气体腔11的激光出射端，并且尽可能与待加工工件15平行，且该吹气掩模板14与所述待加工工件15间距为6毫米左右。所述待加工工件15为200微米厚度低温共烧陶瓷，尺寸规格为150毫米X 150毫米。所述负压气体腔13，采用I毫米不锈钢板生产，安装于所述正压气体腔11侧面下端，其进气口延伸到所述吹气掩模板14的激光出射面下方；所述负压气体腔13侧面安装4个对称的抽气口(图中没有显示)，以维持负压气体腔13内部气体负压力。该装置结构中的光路流程如下:入射光束I进入动态聚焦镜16，经动态聚焦镜16聚焦得到聚焦光束18，所述聚焦光束18透过光学平板密封玻璃17，发射到所述扫描振镜上。所述聚焦光束18经所述扫描振镜第一反射镜6反射得到反射光束5,所述反射光束5经扫描振镜的第二反射镜片3反射得到第一光束4,所述第一光束4经扫描振镜的精确定位，穿过吹气掩模板14后，直接作用于待加工件低温共烧陶瓷。所述初始入射光束I光束的直径I毫米，波长1064纳米，所有激光束所在空气折射率按I计算。所述聚焦光束18的相关参数如下:激光波长1064纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率20瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹，脉冲宽度100纳秒。在必要的情况下，所述吹气掩模板14上面可以开若干个与待加工工件定位的对位孔，通过机器视觉定位确认吹气掩模板14与低温共烧陶瓷的空间位置关系是否准确。本实施例这种加工方式的好处是，解决了振镜扫描聚焦模块的辅助吹气难题，大幅提闻了激光加工的质量与效率。本实施例还可以应用于触摸屏导电膜特别是银浆薄膜材料的激光刻蚀，其应用非常广泛，效果提高非常明显。本实施例这种加工方式的好处是，解决了振镜扫描聚焦模块大幅面聚焦加工时的同轴或者近轴辅助吹气难题，大幅提高了激光加工的质量与效率。实施例3:图3为铜片激光钻孔的装置结构示意图，如图3所示:铜片激光钻孔的装置包括振镜扫描聚焦模块20、吹气掩模板14和负压气体腔13,所述振镜扫描聚焦模块20包括扫描振镜和平场扫描聚焦镜10。所述扫描振镜包括第一反射镜6、用于驱动第一反射镜的第一电机7、第二反射镜3、用于驱动第二反射镜3的第二电机以及扫描振镜外壳9,所述第一反射镜6、第一电机7、第二反射镜3以及第二电机位于所述扫描振镜外壳9内，所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直。所述扫描振镜的第一反射镜6安装在扫描振镜的第一电机7的电机主轴8上。所述扫描振镜的第二反射镜3安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴2上，所述第一电机的电机主轴8与所述第二电机的电机主轴2相互垂直。所述平场扫描聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜10采用远心扫描聚焦镜，远心扫描聚焦镜的焦距为100毫米，平场聚焦范围50毫米X50毫米。所述吹气掩模板14，采用5毫米钢片生产，事先按照所述铜片上所需要加工的图形轮廓，在所述吹气掩模板14挖出相同形状的气流窗口 22，气流窗口 22轮廓尺寸比待加工工件15上需要加工的轮廓尺寸扩大I毫米。所述吹气掩模板14气密性安装于所述负压气体腔13的激光入射面，并且尽可能与待加工工件15平行，且与待加工工件15空间距离2毫米左右。待加工工件15吸附固定于工作台19上，所述工作台19上有很多小通孔，用于吸附工件并抽走负压气体腔13内的气体和粉尘，维持所述负压气体腔13内外气压差，且负压气体腔13腔内气压低于腔外气压。所述待加工工件15为200微米厚度铜片。整个铜片激光钻孔的装置结构中的光路流程如下:入射光束I经扫描振镜第一反射镜6反射得到反射光束5，所述反射光束5经扫描振镜的第二反射镜3反射得到扫描光束4，所述扫描光束4经远心扫描聚焦镜进行聚焦，得到聚焦的第一光束12，所述聚焦的第一光束12通过吹气掩模板14后，直接作用于待加工工件15。所述入射光束I为直径为10毫米的入射扩束准直光束。所述第一光束12的相关参数如下:激光波长532纳米,光束质量因子小于1.2,光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹。在必要的情况下，所述吹气掩模板14上面可以开若干个与待加工工件定位的对位孔，通过机器视觉定位确认吹气掩模板14与铜片的空间位置关系是否准确。本实施例这种加工方式的好处是，解决了振镜扫描聚焦模块的分布式辅助吹气难题，大幅提高了激光加工的质量与效率。本实施例还可以应用于陶瓷、金刚石、单晶硅硅片的钻孔与划片，低温共烧陶瓷的钻孔与划片，柔性电路板振镜扫描激光加工，印刷电路板硬板的振镜扫描分板加工，铜箔以及其他金属薄片的振镜扫描钻孔与切割等，其应用非常广泛，效果提高非常明显。在本实施例中，还可以在扫描振镜激光入射端放置光束旋转调制模块或者光束摆动调制模块，所述光束旋转调制模块或者光束摆动调制模块用于激光束的空间轨迹调制，所述扫描振镜负责激光束在所述吹气掩模板各个气流窗口 22之间切换，这样能够实现更为复杂高效的激光微加工。所述远心扫描聚焦镜的加工范围毕竟还是有限，如果加工幅面还不够大，实际上还可以把所述工作平台19置于移动平台(图中没有标示)上，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米X200毫米的通常称为大面积。实施例4:图4为印刷电路板激光分板的装置结构示意图，如图4所示:印刷电路板激光分板的装置包括振镜扫描聚焦系统20、吹气掩模板14、负压气体腔13。所述振镜扫描聚焦系统20包括扫描振镜和平场扫描聚焦镜10。所述扫描振镜包括第一反射镜6、用于驱动第一反射镜的第一电机7、第二反射镜
3、用于驱动第二反射镜3的第二电机以及扫描振镜外壳9,所述第一反射镜6、第一电机7、第二反射镜3以及第二电机位于所述扫描振镜外壳9内，所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直。所述扫描振镜的第一反射镜6安装在扫描振镜的第一电机7的电机主轴8上。所述扫描振镜的第二反射镜3安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴2上，所述第一电机的电机主轴8与所述第二电机的电机主轴2相互垂直。所述平场扫描聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜等类型。本实施例中，扫描平场聚焦镜10采用普通平场扫描聚焦镜，即f-theta透镜，焦距为160毫米，平场聚焦范围80毫米X80毫米。
所述吹气掩模板14，采用5毫米厚度亚克力材料生产，事先按照所述印刷电路板15上所需要加工的切割轨迹，在所述吹气掩模板14上挖出与切割轨迹相同的线状气流气流窗口 22，且线状气流窗口 22线宽尺寸为2毫米。所述吹气掩模板14上安装有透明玻璃21,所述透明玻璃21位于所述吹气掩模板激光入射面所在的一侧,所述吹气掩模板14与所述透明玻璃21固定连接。图5是图4在A-A处的俯视剖面图，如图5所示，所述吹气掩模板激光入射面上刻有凹槽23，该凹槽通向所述吹气掩模板14的吹气透明玻璃22，气流从凹槽23里面通过后，经所述吹气掩模板14的气流窗口 22吹向待加工工件15。所述待加工工件15为400微米厚度印刷电路板。所述透明玻璃21，波长532纳米，厚度6毫米，两面镀绿光增透膜。所述吹气掩模板14气密性安装于所述负压气体腔13的激光入射面，并且尽可能与所述印刷电路板平行，且与所述印刷电路板2毫米左右。所述印刷电路板吸附固定于工作台19上，所述工作台19上有很多小通孔，用于吸附工件并抽走负压气体腔13内的气体和粉尘，维持所述负压气体腔13内外气压差，且负压气体腔13腔内气压低于腔外气压。整个印刷电路板激光分板的装置结构中的光路流程如下:入射光束I经扫描振镜第一反射镜6反射得到反射光束5，所述反射光束5经扫描振镜的第二反射镜3反射得到扫描光束4，所述扫描光束4经f-theta透镜10进行聚焦，得到聚焦的第一光束12，所述聚焦的第一光束12透过所述透明玻璃21，按照一定的激光扫描轨迹，通过吹气掩模板14与负压气体腔13，直接作用于印刷电路板，完成激光加工动作。所述入射光束I为直径为10毫米的入射扩束准直光束。所述第一光束12的相关参数如下:激光波长532纳米,光束质量因子小于1.2,光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率100千赫兹。在必要的情况下，所述吹气掩模板14上面可以开若干个与待加工工件定位的对位孔，通过机器视觉定位确认吹气掩模板14与所述印刷电路板的空间位置关系是否准确。本实施例这种加工方式的好处是，解决了振镜扫描聚焦系统的分布式辅助吹气难题，大幅提高了激光加工的质量与效率。本实施例还可以应用于陶瓷、金刚石、单晶硅硅片的钻孔与划片，太阳能晶体硅电池边缘绝缘，低温共烧陶瓷的钻孔与划片，柔性电路板振镜扫描激光加工，铜箔以及其他金属薄片的振镜扫描钻孔与切割等，其应用非常广泛，效果提高非常明显。上述实施例1、与实施例2、实施例3以及实施例4只是本发明的四三个典型的应用，实际上其原理应用不限于上面所述情形。总之，本发明提出一种激光扫描加工装置，包括扫描振镜、动态聚焦镜或者平场扫描聚焦镜、吹气掩模板、正压气体腔和/或负压气体腔，通过预设所述吹气掩模板的厚度、气流窗口形状等构成分布式吹气口，同时预设了所述吹气掩模板激光入射面与激光出射面的气体压力差，形成了与透过所述吹气掩模板各气流窗口的激光传输方向相同或者基本一致的流动方向的气体，解决了振镜扫描聚焦加工时大幅面激光加工分布式辅助吹气的难题，是一种激光振镜扫描聚焦加工方式的分布式辅助吹气的完美解决方案，非常适合于工业批量化生产。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种激光扫描加工装置,其特征在于:包括振镜扫描聚焦模块、正压气体腔和/或负压气体腔、吹气掩模板， 所述正压气体腔包括位置相对的正压气体腔激光入射端和正压气体腔激光出射端，所述正压气体腔上设有进气口和排气口，所述正压气体腔内部气压大于外界气压； 所述负压气体腔设有进气口和排气口，所述负压气体腔内部气压小于外界气压；所述吹气掩模板上设有一个或多个气流窗口，所述吹气掩模板上的气流窗口用于气流和激光束通过； 所述振镜扫描聚焦模块用于对发射到该振镜扫描聚焦模块上的光束进行聚焦并且调制该光束的传输方位，以形成发射到所述正压气体腔和/或负压气体腔的第一光束，所述正压气体腔和/或负压气体腔位于所述振镜扫描聚焦模块出射光束的一侧； 所述振镜扫描聚焦模块出射光束一侧设有所述正压气体腔和所述吹气掩模板，所述正压气体腔的激光入射端位于所述振镜扫描聚焦模块的出射光束一侧，所述正压气体腔激光入射端与激光束可通过的透明玻璃密封联接或者与所述振镜扫描聚焦模块密封联接，所述吹气掩模板安装在所述正压气体腔的激光出射端； 或者，所述振镜扫描聚焦模块出射光束一侧设有所述吹气掩模板和所述负压气体腔，所述负压气体腔进气口位于所述振镜扫描聚焦模块的出射光束一侧，所述吹气掩模板安装在所述负压气体腔进气口； 或者，所述振镜扫描聚焦模块出射光束一侧设有所述正压气体腔、吹气掩模板和负压气体腔，所述正压气体腔激光入射端位于所述振镜扫描聚焦模块出射光束的一侧，所述正压气体腔激光入射端与激光束可通过的透明玻璃密封或者与所述振镜扫描聚焦模块联接密封；所述正压气体腔通过所述吹气掩模板和所述负压气体腔连通，所述吹气掩模板与所述正压气体腔激光出射端和所述负压气体腔激光入射端连接，所述正压气体腔激光出射端和所述负压气体腔激光入射端分别位于所述吹气掩模板的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种激光扫描加工装置，其特征在于:所述振镜扫描聚焦模块包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描振镜用于改变发射到其上的入射激光束的传输方位，以形成扫描光束，并将该扫描光束发射到所述扫描平场聚焦镜；所述扫描平场聚焦镜，位于所述扫描振镜输出扫描光束的一侧，用于接收所述扫描光束，并对所述扫描光束进行聚集，以形成聚焦的第一光束，所述第一光束通过正压气体腔和/或负压气体腔和所述吹气掩模板上的气流窗口发射到待加工对象上。
3.根据权利要求2所述的一种激光扫描加工装置，其特征在于:所述扫描振镜包括第一反射镜、用于驱动第一反射镜的第一电机、第二反射镜、用于驱动第二反射镜的第二电机以及扫描振镜外壳，所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一反射镜、第一电机、第二反射镜以及第二电机位于所述扫描振镜外壳内，所述第一反射镜安装在第一电机的主轴上，所述第二反射镜安装在第二电机的主轴上，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直，所述第一反射镜用于接收并反射发射到其上的光束，以形成发射给所述第二反射镜的反射光束，所述第二反射镜接收并反射所述反射光束，以形成扫描光束。
4.根据权利要求3所述的一种激光扫描加工装置,其特征在于:所述扫描振镜激光入射端设置有光束旋转调制模块或者光束摆动调制模块，所述光束旋转调制模块用于对发射到其上的激光光束进行空间旋转调制，所述光束摆动调制模块用于对发射到其上的激光光束进行空间摆动调制。
5.根据权利要求1所述的一种激光扫描加工装置，其特征在于:所述振镜扫描聚焦模块包括动态聚焦镜和扫描振镜，所述动态聚焦镜用于对发射到其上的光束进行动态聚焦，以形成发射到所述扫描振镜上的聚焦光束；所述扫描振镜，位于所述动态聚焦镜输出聚焦光束的一侧，用于改变发射到其上的聚焦光束的传输方位，以形成第一光束，所述第一光束通过正压气体腔和/或负压气体腔和所述吹气掩模板上的气流窗口发射到待加工对象上。
6.根据权利要求5所述的一种激光扫描加工装置,其特征在于:所述扫描振镜包括第一反射镜、用于驱动第一反射镜的第一电机、第二反射镜、用于驱动第二反射镜的第二电机以及扫描振镜外壳，所述扫描振镜外壳朝向所述入射激光束的一侧上设有激光入射口，所述第一反射镜、第一电机、第二反射镜以及第二电机位于所述扫描振镜外壳内，所述第一反射镜安装在第一电机的主轴上，所述第二反射镜安装在第二电机的主轴上，所述第一电机主轴与所述第二电机主轴相互垂直，所述第一反射镜用于接收并反射发射到其上的光束，以形成发射给所述第二反射镜的反射光束，所述第二反射镜接收并反射所述反射光束，以形成第一光束。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种激光扫描加工装置,其特征在于:所述吹气掩模板上气流窗口的形状为待激光加工图案的形状，且所述吹气掩模板上气流窗口的尺寸大于所述待激光加工图案尺寸；或者，所述吹气掩模板上气流窗口的形状为在待加工工件表面激光扫描轨迹的形状，且所述吹气掩模板上气流窗口的尺寸大于所述激光扫描轨迹线宽。
8.根据权利要求1至6任一所述的一种激光扫描加工装置，其特征在于:所述吹气掩模板的材料为金属材料或者玻璃材料或者蓝宝石材料或者陶瓷材料或者透明光学材料。
9.根据权利要求1至6任一所述的一种激光扫描加工装置，其特征在于:所述正压气体腔里面的气体为空气或者氧化性气体或者保护性气体或者还原性气体或者包括氧化性气体和保护性气体的混合气体或者包括还原性气体与氧化性气体的混合气体或者雾气。
10.根据权利要求1至6任一所述的一种激光扫描加工装置，其特征在于:所述负压气体腔里面的气体为空气或者氧化性气体或者保护性气体或者还原性气体或者包括氧化性气体和保护性气体的混合气体或者包括还原性气体与氧化性气体的混合气体或者雾气。
全文摘要
本发明涉及一种激光扫描加工装置，包括振镜扫描聚焦模块、正压气体腔和/或负压气体腔、吹气掩模板，通过预设所述吹气掩模板的厚度、气流窗口形状等构成分布式吹气口，同时预设了所述吹气掩模板激光入射面与激光出射面的气体压力差，形成了与透过所述吹气掩模板各气流窗口的激光传输方向相同或者基本一致的流动方向的气体，解决了振镜扫描聚焦加工时大幅面激光加工分布式辅助吹气的难题，是一种激光振镜扫描聚焦加工方式的分布式辅助吹气的完美解决方案，非常适合于工业批量化生产。
文档编号B23K26/06GK103182603SQ20131008589
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者张立国 申请人:张立国