一种激光焦点动态加工装置的制作方法

本实用新型属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种激光焦点动态加工装置。

背景技术：

目前，激光与材料相互作用的常规方法均是采用激光焦点固定在被作用材料的某一位置，然后启动激光束开始对材料进行钻孔、切割、刻蚀、焊接等加工。

在激光加工过程中，激光焦点是处于静止不动状态。这种激光聚焦加工方式因激光聚焦光束为锥形聚焦光斑会造成沿激光光轴能量密度分布上不均匀，即：在焦点处的能量密度最高，离焦点越远，能量密度越低，结果导致材料沿光轴方向加热不均匀。焦点处的材料吸收激光量能密度高而迅速达到汽化蒸发温度，被汽化蒸发材料较多而熔化材料较少。而离开焦点处的材料吸收激光能量较低，导致被汽化蒸发材料开始逐步减少，熔化材料逐步增加。当离激光焦点更远处，由于材料吸收激光能量更低而处于熔化状态。

总结这种加工方式存在的问题如下：

(1)在激光钻孔和切割加工过程中，由于材料的汽化蒸发较多地发生在激光焦点处，而离焦点外的材料处于熔化较多状态，导致被熔化材料远多于被汽化蒸发材料；

(2)少量的汽化蒸发材料不仅导致去除量少，而且产生的反向推力也较小；较小的反向推力难以将较多的熔化材料排除被加工区域，导致大量的熔化材料重新凝固在孔壁或切割端壁上，形成重铸层；

(3)激光加工孔壁上的重铸层将导致锥形孔和切缝形成，降低了加工孔壁的垂直度，影响激光加工尺寸精度；

(4)重铸层形成也会引起激光加工的粗糙度增加，同时也会在重铸层内形成为裂纹、微气孔、晶粒粗大等缺陷，导致激光加工质量下降；

(5)重铸层与母材物理化学性能不一致以及结合力较弱，这也会给后续处理应用带来一些问题，如在重铸层表面镀有导电膜电路会因重铸层微裂纹或脱落而断路；

(6)材料熔化较多而汽化蒸发较少也会导致材料加工出口处形成大量挂渣，必须经过后续处理；

(7)在透射性材料的激光热裂分离加工过程中，这种沿聚焦激光光轴能量分布不均，会引起沿材料厚度方向温度场分布不均匀，导致诱导的热应力场分布不均匀，引起分离微裂纹走向失控；

(8)在激光焊接过程中，静态聚焦光斑会使焊缝成形较差，在成形焊缝中容易产生气孔、夹渣、微裂纹等缺陷；

(9)静态的激光焦点会因能量密度随离焦点远去而下降，引起材料热传导损失增加，导致激光能量利用率下降。

因此，需要开发新型的激光焦点加工方法或者装置，以能克服现有技术中存在的相关问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提出一种激光焦点动态加工装置，其基本原理是在激光钻孔、切割、焊接、刻蚀和热裂分离加工过程中，激光焦点不再是固定某一位置静止不动，而是以一定的速度沿待加工工件厚度光轴方向向下或向上移动，或以一定的频率线性摆动或螺旋式上下移动，以克服传统加工方式中激光光轴能量密度分布不均匀造成的加工问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种激光焦点动态加工方法，加工过程中，激光焦点光斑沿光轴以设定的速度动态移动。

在本实用新型的一个实施例中，激光焦点光斑以设定的速度沿待加工工件厚度光轴方向向下或向上移动。

在本实用新型的一个实施例中，激光焦点光斑以设定的频率线性移动，或激光焦点光斑以设定的频率摆动，或激光焦点光斑以设定的频率螺旋式上下移动。

按照本实用新型的第二个方面，提供了一种实现如上方法的激光焦点动态加工装置，其包括激光器、扩束准直镜、动态聚焦镜、导光镜、可直线往返运动机构、xy工作台和工控机，其中，动态聚焦镜包括正负聚焦镜组和一片负聚焦镜片，xy工作台用于承载待加工工件，负聚焦镜片设置在可直线往返运动机构上，以能沿直线移动，工控机同时与激光器、可直线往返运动机构和xy工作台相连接，以能分别控制激光器的开关、可直线往返运动机构的移动和xy工作台的移动，扩束准直镜、动态聚焦镜、导光镜沿着激光器发射的激光光轴的方向依次设置，导光镜用于将激光器发射的激光反射至待加工工件。

在本实用新型的一个实施例中，在激光焦点执行动态钻孔加工时，工控机控制激光器发出激光束并控制动态聚焦镜中的直线往返运动机构带动负聚焦镜片以设定的速度向前或向后直线运动，从而使激光焦点以设定的速度沿待加工工件的厚度光轴方向向上或向下移动，完成激光焦点动态钻孔加工，接着，工控机再控制xy工作台移动待加工工件到另一个位置，重复以上激光焦点动态钻孔过程，直至完成所有的钻孔加工。

在本实用新型的一个实施例中，还包括聚焦镜，聚焦镜设置在导光镜下端，聚焦镜用于对动态聚焦输出的聚焦激光束进行二次聚焦，以获得更小的聚焦光斑直径，从而能用于实现钻更小直径的孔、或实现更窄的切割和焊缝。

按照本实用新型的第三个方面，还提供了一种实现如上方法的激光焦点动态加工装置，其包括激光器、扩束准直镜、动态聚焦镜、可直线往返运动机构、xy两维扫描振镜、xy工作台和工控机，其中，动态聚焦镜包括正负聚焦镜组和一片负聚焦镜片，xy工作台用于承载待加工工件，负聚焦镜片设置在可直线往返运动机构上，以能沿直线移动，工控机同时与激光器、可直线往返运动机构、xy两维扫描振镜以及xy工作台相连接，以能分别控制激光器的开关、可直线往返运动机构的移动、xy两维扫描振镜的移动以及xy工作台的移动，扩束准直镜、动态聚焦镜、xy两维扫描振镜沿着激光器发射的激光光轴的方向依次设置，xy两维扫描振镜用于将从动态聚焦镜输出的聚焦激光束聚焦在待加工工件的设定位置，xy两维扫描振镜是由x方向反射镜片和y方向反射镜片组成，用于控制激光束在xy平面扫描加工轨迹。

在本实用新型的一个实施例中，还包括扫描聚焦场镜，扫描聚焦场镜设置在xy两维扫描振镜下端，用于对动态聚焦镜输出的聚焦激光束进行二次聚焦，以获得更小的聚焦光斑直径，从而能用于实现钻更小直径的孔、或实现更窄的切割和焊缝。

在本实用新型的一个实施例中，正负聚焦镜组至少包括一片负聚焦镜片和一片正聚焦镜片。

本实用新型中，实现本实用新型激光焦点动态加工方法的装置关键部件包括：一个可直线移动负聚焦镜片和动态聚焦镜，动态聚焦镜包括一组固定的正负聚焦镜组(正负聚焦镜组包括一片负聚焦镜片和一片正聚焦镜片)。可直线移动负聚焦镜片安装在直线移动机构上，可进行往返直线运动，改变激光光速发散角，固定的正负聚焦镜组进行聚焦。

本实用新型装置的工作原理是：在激光开始钻孔时，工控机同时控制激光器和动态聚焦镜。激光器发出激光束经扩束准直镜扩束准直后，输入到动态聚焦镜聚焦中的负聚焦镜片将激光束发散，在经固定的正负聚焦镜组进行聚焦后，通过导光镜将聚焦焦点导入待加工工件表面或内部某一位置。

当可直线移动负聚焦镜片以一定速度向前或向后直线移动，激光光速发散角也随之改变，投影到正负聚焦镜上的光斑直径也会改变，从而改变激光聚焦焦点在光轴的位置，使得激光焦点沿加工件厚度光轴方向向下或向上移动，实现激光焦点动态钻孔功能。

在激光切割、刻蚀或焊接过程中，工控机同时控制激光器、动态聚焦镜和两维工作台。激光器发出激光束后，可直线移动负聚焦镜片以一定频率直线往返运动，可将激光焦点沿加工件厚度光轴方向向下上移动，同时两维工作台带动工件移动，实现激光焦点动态切割和焊接功能。

本实用新型激光焦点动态加工方法也可采用动态聚焦镜与两维扫描振镜相配合，实现激光焦点以摆动或螺旋方式沿待加工工件厚度光轴方向上下移动。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

激光聚焦光斑沿光轴动态移动方式加工，可改善激光沿光轴能量密度分布的均匀性；由于激光聚焦光斑沿光轴快速移动，可提高材料沿激光光轴方向对激光能量的吸收率，使加工材料在激光光轴上对激光能量吸收均处于焦点光斑处的能量密度；由于沿激光光轴材料均处于焦点处加工，使材料汽化蒸发量增加，熔化量以及热传导损失减少，提高了激光能量的利用率；

在钻孔加工中，材料汽化蒸发量增加将增加排渣去除能力，减少或消除重铸层，改善钻孔锥度；熔化量以及热传导损失减少将有利于减少和消除重铸层，改善钻孔锥度；材料汽化蒸发量增加和熔化量减少有利于减少或消除切割钻孔挂渣现象；

在透射性材料的激光热裂分离加工过程中，激光焦点沿光轴快速移动，改善能量沿光轴方向分布不均性，使得沿光轴温度场分布更均匀，沿光轴诱导的热应力场分布均匀性加强，从而实现控制分离微裂纹走向；

在激光焊接过程中，聚焦光斑沿光轴快速移动会使焊缝中的气孔和夹渣更容易逸出，有利于改善激光焊缝质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之一：焦点向下移动示意图；

图2为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之一：焦点向上移动示意图；

图3为本实用新型实施例提供的实现激光焦点动态加工方法之一的激光焦点动态加工装置示意图；

图4为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之二示意图；

图5为本实用新型实施例提供的实现激光焦点动态加工方法之二的激光焦点动态加工装置示意图；

图6为本实用新型实施例提供的实现激光焦点动态加工方法之三的装置；

图7为本实用新型实施例提供的又一种实现激光焦点动态加工方法之三的装置，该装置在图6所示装置的基础上，对于聚焦激光束进行二次聚焦，其光班直径更小，用于加工孔径直径更小或者宽度更小的焊接或者切缝；

图8为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之三：螺旋式激光焦点动态钻孔示意图；

图9为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之三：同心圆式激光焦点动态钻孔示意图；

图10为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之三：摆动式激光焦点动态加工示意图。

其中，激光焦点动态加工方法之一是指激光焦点动态钻孔方法；激光焦点动态加工方法之二是指激光焦点动态切割、刻蚀、划片或焊接方法；激光焦点动态加工方法之三是指激光焦点动态螺旋或同心圆式钻孔以及摆动式加工方法。

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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型具体实施方式之一：激光焦点动态钻孔方法。

激光焦点动态钻孔方法基本原理如图1和图2所示，图1为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之一：焦点向下移动示意图；图2为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之一：焦点向上移动示意图。

具体的，聚焦激光束的初始焦点1位于待加工工件2的表面或某一位置上。激光器发射激光束后，焦点1开始以一定的速度向下移动，直至在工件2上形成所需小孔3后，激光器停止发送激光束，同时激光焦点1的位置重回到初始位置。聚焦激光束的初始焦点1也可位于待加工工件2的底表面上(如图2所示)，激光器发处激光束后，焦点1开始以一定的速度向上移动，直至在工件2上形成所需小孔3后，激光器停止发送激光束，同时激光焦点1的位置重回到初始位置。

实现该方法装置之一如图3所示，图3为本实用新型实施例提供的实现激光焦点动态加工方法之一的激光焦点动态加工装置示意图。由图可知，其包括激光器10、扩束准直镜11、动态聚焦镜12、导光镜16、xy工作台17和工控机18。，其中，动态聚焦镜12包括可直线移动负聚焦镜片13和正负聚焦镜组14，可直线移动负聚焦镜片13固定在可直线往返运动机构15上，正负聚焦镜组14由至少一片负聚焦镜和一片正聚焦镜组成。待加工工件2固定在xy工作台17平面上，激光束焦点位于工件2的设定位置。工控机18同时控制激光器10、动态聚焦镜12和xy工作台17。

图3所述装置在激光焦点动态钻孔时的工作方法如下：

工控机18控制激光器10发出激光束，并控制动态聚焦镜12中的可直线往返运动机构15带动负聚焦镜片13以设定的速度向前或向后直线运动，使激光焦点1以设定的速度沿工件2的厚度光轴方向向上或向下移动(厚度光轴方向即为激光光束的光轴方向，也即工件2的厚度方向)，完成激光焦点动态钻孔加工。工控机18再控制xy工作台17移动工件2到另一个位置，重复以上激光焦点动态钻孔过程，直至完成所有的小孔加工。

本实用新型具体实施方式之二：激光焦点动态切割、刻蚀、划片或焊接。

激光焦点动态切割、刻蚀、划片或焊接方法的基本原理如图4所示，图4为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之二示意图。

具体的，聚焦激光束的初始焦点1位于待加工工件2的表面或某一位置上。激光器发出激光束后，激光焦点1开始以设定的频率上下移动，同时待加工件2相对激光束聚焦点1运动，直到形成所需的切缝、刻蚀、划片或焊缝4后，激光器停止发送激光束，同时激光焦点1回到初始位置，工件2停止移动。工控机18控制激光器10发出激光束并控制动态聚焦镜12中的可直线往返运动机构15，带动负聚焦镜片13以设定的频率往返直线运动，使激光焦点1以一定的频率沿工件2的厚度光轴方向上下移动，同时，工控机18再控制xy工作台17以一定的速度移动工件2，完成激光焦点动态切割、刻蚀、划片或焊接加工。

这种激光焦点动态加工方法的优点是光路简单，激光焦点动态加工范围较广。

为了获得较小的聚焦光斑直径，本实用新型提供的激光焦点动态加工方法装置之二见图5所示，图5为本实用新型实施例提供的实现激光焦点动态加工方法之二的激光焦点动态加工装置示意图。

具体的，在导光镜16后再加入一个聚焦镜20，聚焦镜20对动态聚焦输出的聚焦激光束进行二次聚焦，可获得较小的聚焦光斑直径，可实现钻较小的孔直径和较窄的切割和焊缝宽度。

图5的实现激光焦点动态加工方法之二的激光焦点动态加工装置的工作方法与图3所述装置相同。

以上激光焦点动态加工方法之一、之二两种激光焦点动态加工方法装置的共同特点是激光束不动，而是xy工作台带动工件移动，形成激光加工轨迹。

本实用新型具体实施方式之三：为了克服激光加工速度慢，并且无法实现激光焦点动态螺旋或同心圆式钻孔以及摆动式加工的问题，本实用新型提供具体实施方式之三。激光焦点动态加工方法之三是指激光焦点动态螺旋或同心圆式钻孔以及摆动式加工方法。

其中，图8为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之三：螺旋式激光焦点动态钻孔示意图；图9为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之三：同心圆式激光焦点动态钻孔示意图；图10为本实用新型实施例提供的激光焦点动态加工方法之三：摆动式激光焦点动态加工示意图。

图6为本实用新型实施例提供的实现激光焦点动态加工方法之三的装置，由图可知，该装置是在动态聚焦镜12后加入一个xy两维扫描振镜25。从动态聚焦镜输出的聚焦激光束经xy两维扫描振镜25后聚焦在工件2的某一位置。由于xy两维扫描振镜25是由x方向和y方向反射镜片组成，能用来控制激光束在xy平面扫描加工轨迹，其质量轻，惯性小，可在xy平面上实现高速扫描加工任意复杂图形。

本实施例装置在工作时，工控机18同时控制激光器10、动态聚焦镜12中的可直线往返运动机构15、xy工作台17和两维扫描振镜25。

如果需要获得较小的激光聚焦光斑直径，可在xy两维扫描振镜25输出口安装一个合适焦距的扫描聚焦场镜26，对动态聚焦镜12输出的聚焦激光束进行二次聚焦，见图7所示。图7为本实用新型实施例提供的又一种实现激光焦点动态加工方法之三的装置，该装置在图6所示装置的基础上，对于聚焦激光束进行二次聚焦，其光班直径更小，用于加工孔径直径更小或者宽度更小的焊接或者切缝。

本实施例装置工作原理是：在激光焦点动态钻孔时，工控机18控制激光器10发出激光束并控制动态聚焦镜12中的可直线往返运动机构15，带动负聚焦镜片13以一定的速度向前或向后直线运动，同时xy两维扫描振镜25控制聚焦激光束在xy平面扫描轨迹，从而实现螺旋式激光焦点动态钻孔(见图8所示)或同心圆式激光焦点动态钻孔(见图9所示)。

当扫描振镜25扫场范围内加工完毕后，工控机18控制xy工作台17将工件2移到新的扫描振镜25扫场范围内继续钻孔加工直至钻孔加工结束。

在激光焦点动态切割、刻蚀、划片或焊接时，工控机18控制激光器10发出激光束并控制动态聚焦镜12中的可直线往返运动机构15，带动负聚焦镜片13以一定的频率往返运动，同时xy两维扫描振镜25控制聚焦激光束在xy平面扫描轨迹，可实现摆动式激光焦点动态切割、刻蚀、划片或焊接方式加工(见图10所示)。当扫描振镜25扫场范围内加工完毕后，工控机18控制xy工作台17将工件2移到新的扫描振镜25扫场范围内继续激光加工直至整个工件加工完毕。

为了进一步说明本实用新型加工方法的优越性，下面结合具体的加工实施例对本实用新型方法详细说明。

实例1：

采用本实用新型具体实施方式之一对厚度为1mm的Al₂O₃陶瓷材料进行激光焦点动态钻孔加工。

激光焦点动态钻孔系统中的激光源为脉冲宽度25ns，重复频率100kHz，波长为1064nm，输出功率为50W的脉冲激光器，动态聚焦镜中的可移动负聚焦镜片范围2mm，激光聚焦光斑直径为50μm并可沿光轴移动范围20mm。将激光焦点位于待加工材料表面，设置钻孔时激光焦点以0.5mm/s的速度向下移动。

实验结果表明：在陶瓷获得的小孔直径为70μm，孔壁锥度小于0.1°，孔壁无重铸层和微裂纹，热影响区小于1μm。小孔表面和底部基本无残渣。

实例2：

采用本实用新型具体实施方式之二对厚度为20mm的钠钙玻璃材料进行激光焦点动态热裂纹切割分离加工。

激光焦点动态切割系统中的激光源为波长为1064nm，输出功率为100W的连续激光器，动态聚焦镜中的可移动负聚焦镜片范围5mm，激光聚焦光斑直径为0.1mm并可沿光轴移动范围50mm。将激光焦点位于待加工材料中部，设置热裂纹切割分离过程中激光焦点以振幅为±2mm、频率为50Hz上下移动。

实验结果表明：玻璃分离切口平整陡峭，无崩边现象，缺口端面平整光滑，并能进行一定曲率的弧线切割分离。

实例3：

采用本实用新型具体实施方式之三对厚度为2mm的Al₂O₃陶瓷材料进行激光扫描式焦点动态钻1mm直径的小孔。

激光焦点动态钻孔系统中的激光源为脉冲宽度25ns，重复频率500kHz，波长为1064nm，输出功率为50W的脉冲激光器，动态聚焦镜中的可移动负聚焦镜片范围2mm，激光聚焦光斑直径为10μm并可沿光轴移动范围20mm。将激光焦点位于待加工材料表面，设置钻孔时激光焦点以1mm/s的速度向下移动，扫描速度1m/s。

实验结果表明：在陶瓷获得的小孔直径为1.02mm，孔壁锥度小于0.01°，孔壁无重铸层和微裂纹，热影响区小于0.5μm。小孔表面和底部无残渣。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。