一种光束入射角可控的激光加工装置及激光加工方法与流程

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种光束入射角可控的激光加工装置及激光加工方法。

背景技术：

激光加工是将激光束与工件相结合实现多种目的的加工方法，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

在很多场合需要实现工件的倾角加工，即，加工时激光束与工件表面形成一定夹角。例如，激光打孔一般需要对平行激光束进行聚焦，通过激光与材料的相对移动，利用激光脉冲与材料的相互作用进行加工，当激光打孔时激光束与工件表面形成一定夹角则能够得到具有一定锥度的孔，目前可控锥度(正锥、零锥或者负锥)、大深径比(大于5:1，尤其是大于20：1)的微小孔(直径小于0.5毫米，尤其是直径小于0.2毫米)的加工面临一系列困难，原因是激光能量垂直辐照会自然形成一定的正锥度，激光能量在倾斜面上散开，丧失持续加工能力，最终限制激光孔加工的深径比。另外，可利用激光与工件表面夹角的变化实现复杂形状的加工。

目前，为了实现工件的倾角加工，一种方法是利用机械运动实现工件的倾角加工，但是这种方法需要相对繁琐的同轴对中操作，并且主要适用于小型零件，例如cn109434288a公开的超快激光锥孔打孔装置及打孔工艺。另一种方法是使用多个楔形光学组件产生预定倾角和半径，然后通过电机驱动光学组件的旋转，实现一定范围内倾角可控的孔加工，例如us2009045176a1，cn102218605a，cn104400222a等。这类技术的优点是可以通过楔形模块的旋转实现高圆度和预定锥度的加工，但缺点是，由于需要多个电机精密运动的组合，使得这类装置普遍偏贵，能够直接加工的孔直径偏小，一般小于2毫米，并且能够控制的倾角一般在15°以内。另外，这类装置主要适合圆形孔加工，复杂形状需要非常复杂的外部机械运动来辅助实现，或者通过非常复杂的多电机控制来有限实现。

技术实现要素：

本发明提供一种激光加工装置，具有结构简单，成本低，利用该装置能够实现激光在工件表面的入射角可控的激光加工。

本发明提供的技术方案为：一种光束入射角可控的激光加工装置，包括激光发生单元，其特征是：还包括中空单元；

激光发生单元发出焦距为f的光束，该光束的中心轴方向为轴向e，该光束经过中空单元后入射在工件表面；

所述中空单元设置第一反射镜与第二反射镜，激光发生单元发出的光束照射在第一反射镜面，经第一反射镜面反射后照射在第二反射镜面，经第二反射镜面反射后照射在工件表面；

轴向e与第一反射镜面的夹角th1为第一反射镜面倾角，即，轴向e逆时针旋转至第一次与第一反射镜面重合时所旋转的角度为th1；

轴向e与第二反射镜面的夹角th2为第二反射镜面倾角，即，轴向e逆时针旋转至第一次与第二反射镜面重合时所旋转的角度为th2；

光束照射在工件表面时光束的中心轴与轴向e的夹角th3为光束入射角，照射在第二反射镜面的光束与第二反射镜面的夹角为th4。

如图1所示，根据几何计算，th4＝2×th1-th2，th3＝2×(th1-th2)，即，光束入射角等于第一反射镜面倾角与第二反射镜面倾角差分值的两倍；因此，通过调节第一反射镜面倾角和/或第二反射镜面倾角能够调控光束入射角，实现指定激光加工倾角，例如光束入射角th3可大于0°，大于5°，大于15°、大于30°、大于45°或者大于60°等，尤其是可实现大倾角加工，例如大于30°、大于45°或者大于60°等。

另外，本发明中，通过调节能够使夹角th1与th2均保持较大数值，这对系统误差控制是有利的，因为这样激光光斑不会过于偏离中心轴，例如15°

≤th1≤60°、30°≤th2≤70°，作为优选，30°≤th4≤80°。

作为一种优选方式，第一反射镜面倾角th1大于或者等于15°，通过调节第二反射镜面倾角th2得到所需激光加工入射角。

作为另一种优选方式，第一反射镜面倾角th1大于或者等于45°，通过调节第二反射镜面倾角th2得到所需激光加工入射角。

所述光束入射角是指激光光束至工件的入射角，即，激光加工入射角。

所述光束自激光发生单元发出至第一反射镜面的反射点中心的距离为l1，光束在第一反射镜面与第二反射镜面之间传播的距离为l2，光束自第二反射镜面至汇聚点的距离为l3，并且f＞l1+l2，f＝l1+l2+l3。

作为优选，所述中空单元与激光发生单元之间的距离可调，从而可以调节l1。作为一种实现方式，所述中空单元与位移单元连接，可通过位移单元进行移动，从而调节l1。

作为优选，第一反射镜与第二反射镜之间间距可调。

作为优选，工件与激光发生单元之间的距离可调，从而可调节光束自第二反射镜面反射后汇聚点位置与工件的位置关系。当汇聚点的位置处于工件上方时为正锥度加工，当汇聚点的位置处于工件下方时为负锥度加工。

作为优选，所述中空单元还包括位移传感器，可探测激光发生单元与工件之间的距离，以及l1、l2、l3中的一种或者几种距离的探测。

本发明中，第一反射镜和第二反射镜可以做成一体化结构，方便地设置在中空单元，不需要过多的调节。作为优选，第一反射镜与第二反射镜结构可以做成模块化的一体器件，其倾角、间距等参数形成序列，使用时可以方便地替换。例如，在f、l1、th1一定时、通过调节l2以及th2得到th3为1°、2°、3°、5°、15°、22.5°、30°、40°、45°、60°、75°等离散值下的系列器件组合。

本发明中，激光包括脉冲激光和连续激光，波长包括但不限于duv、uv、vis、nir、ir等。

本发明中，第一反射镜和第二反射镜具有光线反射功能，可以是棱镜反射镜及普通圆形反射镜等。

本发明中，激光发生单元包括产生激光的功能器件和激光聚焦的功能器件，还可以包括光学调制的功能器件。

所述光学调制的功能器件包括但不限于扩束及散斑控制光学器件。

所述激光聚焦的功能器件包括但不限于各类扫描振镜和各类固定式聚焦光学系统，如球凸透镜、组合透镜、柱透镜等。

本发明中，激光加工单元还可以配备气动接口和底部喷嘴，气体通过底部喷嘴后形成气流，用于吹走激光加工过程中产生的飞溅物，同时降低激光加工区温度。

作为优选，所述中空单元绕轴向e旋转，旋转过程中第一反射镜与第二反射镜处于相对固定的状态一起参与旋转运动，从而实现旋转激光加工，例如实现激光打孔、激光铣削、激光抛光、激光切割、激光焊接等。当进行激光打孔时，光束汇聚点的位置处于工件上方或者下方时，形成正锥度加工或负锥度加工，实现可控锥度的圆孔、圆环或者圆柱的加工。照射在工件上时光束的中心轴偏离旋转轴的距离即为加工半径r，通过控制光束入射角th3即可进行加工锥度控制，由于本发明中激光入射角th3大范围可控，因此加工锥度大范围控制。

所述中空单元的旋转方法不限，可采用电机驱动的旋转，压缩气体带动的旋转，以及传动带驱动的旋转。

所述中空单元的旋转包括连续旋转和定点旋转。定点旋转是指中空单元旋转至指定角度后停止旋转，在该角度进行激光加工任务，然后可继续旋转，该模式便于与扫描振镜进行配合。

本发明中，当第一反射镜与第二反射镜处于相对固定的状态绕轴向e旋转时，考虑到旋转动平衡，在中空单元中设置动平衡块，当旋转时第一反射镜与第二反射镜构成的整体与该动平衡块以旋转轴形成动平衡。

当f、l2，以及th3一定时，可以通过调节l1实现加工半径r的调控。该调控方法尤其适用于高精度微孔加工，例如使用较小锥度补偿实现零锥度孔加工，光束入射角th3范围一般为1°≤th3≤10°，优选2°≤th3≤7°，最优选3°≤th3≤5°。进行高精度微孔加工时，往往需要精确控制孔径在一定公差范围内。当所述微孔的半径小于0.25毫米，尤其是小于0.1毫米时，常规的扫描振镜打孔或工作台移动打孔在精度控制方面均面临挑战，而使用该调控方法时，当l1发生较大变化，圆孔半径可以发生较小变化，通过推算可知：l1变化与圆孔半径变化之比＝1/sin(th3)。因此，可以通过大范围移动l1，实现圆孔半径的小范围精确控制，如此，当l1的移动精度控制在10微米量级时，圆孔半径的控制精度可达到1微米量级，从而可以方便地通过常规精度的位移装置移动l1，实现更高精度的圆孔半径控制。

另外，当l1发生上述变化时，激光的焦点位置z相对激光单元变化很小，加工时可以忽略不记这样的焦点漂移，便于通过调节l1实现加工半径的精确控制，而不用频繁补偿焦点位置。因此，与现有技术相比，本发明在圆孔的半径控制方面具有突出优势。

根据上述原理，当沿着轴向e平移激光发生单元和/或第一反射镜面，使距离l1发生变化，可以实现激光焦点处画圆半径的变化，当平移为一定范围的往复运动时，可以实现圆环或整圆的连续扫描加工，因此可用于可控锥度地加工微孔或微型环，或非穿透性微圆柱或微圆锥。

本发明优选扫描振镜为聚焦器件。扫描振镜使用f-theta场透镜，可以使大范围内的光束都近似平行于中心轴，偏离中心轴的光线在小范围内可以维持近似的聚焦性。在扫描振镜作用下，入射光线可以从中心轴连续偏离，如直线往复扫描或其它轨迹扫描，与旋转的中空单元结合，最终的复合激光扫描轨迹为螺旋线。当振镜扫描轨迹为圆形时，则出现公转与自转的复合叠加，如图2所示，这对实现小孔加工中更高的激光扫描线速度是很有帮助的，因为绝对线速度的提高可以帮助将激光能量更好地扩展开，从而降低激光加工的热累积效应。另一方面，可以使用较低的电机转速，实现类似传统旋转类光学调制的较高线速度，这利于提高电机系统的长期可靠性。

进一步地，本发明的激光加工装置结合扫描振镜可实现局部复杂形状的可控锥度加工。具体加工方法为：中空单元旋转时使用定点倾斜模式与扫描振镜扫描相结合，即，中空单元旋转至一定位置静止，调节光束入射角为一定值，扫描振镜进行扫描，从而具备在指定位置以指定倾角加工复杂图案的能力。

本发明仅用两个反射镜面，利用差分效应即可实现指定光束入射角的激光加工，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明装置结构简单，通过控制两个反射镜面倾角差值，即可控制光束入射角，控制算法简单易行，可实现大范围倾角激光加工，尤其是可实现大角度光束入射，例如45°以上的光束入射，巧妙地解决了现有激光加工中很难产生15°以上入射倾角的技术问题；

并且，本发明可以兼顾大角度入射到第一反射镜面与第二反射镜面，以及大倾角光束入射的需求，即光束入射到第一反射镜面时与第一反射镜面的夹角较大，光束入射到第二反射镜面时与第二反射镜面的夹角较大，以及所述光束入射角较大，从而保证激光光斑不会过于偏离中心轴。

(2)结合中空单元旋转，本发明可实现激光旋转加工，例如激光打孔、激光铣削、激光抛光、激光切割、激光焊接等，并且通过调节光束入射角th3可实现锥度可控的激光旋转加工；另外，通过调节光束汇聚点位置与工件的位置关系可形成正锥度加工或负锥度加工，从而可实现可控锥度的圆孔、圆环、圆柱或者圆锥的加工。

当f、l2，以及th3一定时，通过调节l1可实现加工半径r的调控。尤其是当光束入射角较小时，通过调节l1可实现激光加工半径的精确调控，实现微孔、微型环、微圆柱或为圆锥的扫描加工，其深径比能够大于5:1，尤其是能够大于20：1，因此本发明通过简单控制方法解决了现有技术中小直径圆孔加工时圆孔半径难以精确控制的技术难题。

(3)本发明中，激光聚焦的功能器件优选扫描振镜，并且当中空单元旋转时使用定点倾斜模式与扫描振镜结合，即，中空单元旋转至一定位置静止，通过调节第一反射镜与第二反射镜差值以一定光束入射角入射，扫描振镜进行扫描，可以实现局部复杂形状的可控锥度加工。

(4)本发明的光学方案与扫描振镜明显不同的是，第一反射镜与第二反射镜主要为了实现预定倾角激光加工而旋转，一旦调整好角度和位置后，两个反射镜处于相对固定的状态一起参与旋转运动，而并非像扫描振镜那样让反射镜片进行单独的高速、高频运动。

附图说明

图1是本发明中双反射面激光装置结构示意图。

图2是本发明的激光加工装置结合扫描振镜的运动示意图。

图3是本发明实施例1中的激光加工装置结构示意图。

图4是本发明实施例3中激光加工装置结合扫描振镜加工复杂形状示意图。

图5是本发明实施例4中第一反射镜和第二反射镜做成一体化结构示意图。

激光器1、光学调制器2、聚焦器件3、中空单元5、第一反射镜6a、第二反射镜6b、位移单元7、工件8、控制单元9。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

激光加工装置如图3所示，包括激光发生单元与中空单元5，激光发生单元包括激光器1、光学调制器2以及聚焦器件3。激光器1发出的光束通过光学调制器2耦合进聚焦单元3，经聚焦后发出焦距为f的光束，该光束的中心轴方向为轴向e，该光束经过中空单元后入射在工件8表面。

中空单元5设置第一反射镜6a与第二反射镜6b，激光发生单元发出的光束照射在第一反射镜面，经第一反射镜面反射后照射在第二反射镜面，经第二反射镜面反射后照射在工件8表面。

如图2所示，轴向e与第一反射镜面的夹角th1为第一反射镜面倾角，即，轴向e逆时针旋转至第一次与第一反射镜面重合时所旋转的角度为th1。

轴向e与第二反射镜面的夹角th2为第二反射镜面倾角，即，轴向e逆时针旋转至第一次与第二反射镜面重合时所旋转的角度为th2。

光束照射在工件8表面时光束的中心轴与轴向e的夹角th3为光束入射角，照射在第二反射镜面的光束与第二反射镜面的夹角为th4。

根据几何计算，th4＝2×th1-th2，th3＝2×(th1-th2)，即，光束入射角等于第一反射镜面倾角与第二反射镜面倾角的差分值的两倍。因此，通过调节第一反射镜面倾角和/或第二反射镜面倾角能够调控光束入射角，可实现指定激光加工倾角。

光束自激光发生单元发出至第一反射镜面的反射点中心的距离为l1，光束在第一反射镜面与第二反射镜面之间传播的距离为l2，光束自第二反射镜面至汇聚点的距离为l3，并且f＞l1+l2，f＝l1+l2+l3。

本实施例中，中空单元与位移单元7连接，可在位移单元进行轴向e方向的位移，从而调节距离l1。

本实施例中，整个装置通过控制单元9进行调控。

光束自第二反射镜面反射后汇聚，当汇聚点的位置处于工件上方时为正锥度加工，当汇聚点的位置处于工件下方时为负锥度加工。

本实施例中，中空单元绕轴向e旋转，旋转过程中第一反射镜与第二反射镜处于相对固定的状态一起参与旋转运动，从而实现旋转激光加工，例如实现激光打孔等。在这种情况下，当光束汇聚点的位置处于工件上方时形成正锥度加工，处于工件下方时形成负锥度加工。

通过控制光束入射角th3可进行加工锥度控制，th3与第一反射镜面倾角th1与第二反射镜面倾角th2的差分有关，因此通过控制第一反射镜面倾角th1与第二反射镜面倾角th2的差值，即可控制光束入射角th3，例如表1显示了当焦距f＝300毫米时该激光加工装置的各参数，例如：

当第一反射镜面倾角为45°时，为了实现光束入射角度为1°的反锥加工，使用差分，调节第二反射镜面倾角为44.5°即可；

当第一反射镜面倾角为45°时，为了实现入射角度为60°的反锥度加工，使用差分，调节第二反射镜面倾角为15°即可。

表1：焦距为300毫米，光入射角度为1-60度时的光学系统

当f、l2，以及th3一定时，可以通过调节l1实现加工半径r的调控。尤其是当高精度微孔加工时，选择较小th3，通过调节l1可实现加工半径r的高精度调控。如表2所示，以光束入射角度为5°的反锥度补偿打孔为例，设定光束在第一反射镜面与第二反射镜面之间传播的距离l2为18mm，当l1值在75.473-72.605mm之间变化时，负锥半径r3在0-0.25mm之间变化，例如，当l1值为75.473mm时反锥打孔半径为0mm；当l1值为75.358mm时反锥打孔半径为0.01mm；当l1值为72.605mm时反锥打孔半径为0.25mm，具体请见表2。当末端激光加工的圆孔半径从0变化为0.25mm时，l1变化与圆孔半径变化之比为1/sin(2×th1-2×th2)，即l1的变化为0.25mm的11倍左右。也就是说，将l1的移动精度控制在10微米量级时，圆孔半径的控制精度可达到1微米量级，即可以通过10微米精度电动或手动位移台，实现超高的圆孔半径控制精度。

另外，上述l1变化时，激光的焦点位置z只变化了0.011毫米，加工时可以忽略不记这样的焦点漂移。

表2：焦距为300毫米，光入射角度为1-60度时的光学系统

因此，当沿着轴向e平移激光发生单元和/或第一反射镜面，使激光发生单元至第一反射镜面的反射点中心的距离l1发生变化，可以实现激光焦点处画圆半径的变化，当平移为一定范围的往复运动时，可以实现圆环或整个圆的可控锥度连续扫描，用于加工微孔或微型环，或非穿透性微小圆柱/圆锥。

实施例2：

本实施例中，激光加工装置结构与实施例1基本相同，所不同的是：聚焦器件是一个长焦距透镜，经聚焦后光束焦距为1000mm；中空旋转头装在一个电动平移台上，中空单元与位移单元连接，位移单元为电动平移台，中空单元可在电动平移台进行轴向e方向的位移，位移行程为+/-200毫米，从而调节l1。

表3显示了当焦距f＝1000毫米时该激光加工装置的各参数，例如：

当第一反射镜面倾角为45°时，为了实现入射角度为3°的反锥加工，使用差分，调节第二反射镜面倾角为43.5°即可；

当第一反射镜面倾角为45°时，为了实现入射角度为30°的反锥度加工，使用差分，调节第二反射镜面倾角为30°即可。

表3：焦距为1000毫米，光入射角度为1-60度时的光学系统

当f、l2，以及th3一定时，可以通过调节l1实现加工半径r的调控。尤其是当高精度微孔加工时，选择较小th3，通过调节l1可实现加工半径r的高精度调控。如表4所示，以入射角度为3°的反锥打孔为例，设定光束在第一反射镜面与第二反射镜面之间传播的距离l2为40mm，当l1值在195.707变化到190.930mm之间变化时，负锥半径r3在0-0.25mm之间变化，例如，当l1值为195.707mm时反锥打孔半径为0mm；当l1值为195.516mm时反锥打孔半径为0.01mm；当l1值为190.930mm时反锥打孔半径为0.25mm……即，当末端激光加工的圆孔半径从0变化为0.25mm时，l1轴输入运动为0.25mm的19倍左右。也就是说，将l1的移动精度控制在10微米量级时，圆孔半径的控制精度可达到1微米量级，即实现超高的圆孔半径控制精度。

表4：焦距f＝1000mm时该激光加工装置的各参数：

另外，上述l1变化时，激光总体的焦点位置z只变化了0.007毫米，加工时可以忽略不记这样的焦点漂移。

实际加工时，根据表中所示算法，驱动平移台，带动旋转头移动，以实现预定倾斜角度预定直径的激光加工。需要变化锥度时，将主要通过调整第二镜面的角度(th2)和偏离位置(r20)来获得合适的l1零半径位置，然后再变化l1，实现该倾角下预定直径的扫描。

实施例3：

本实施例中，激光加工装置结构与实施例2基本相同，所不同的是：聚焦器件是扫描振镜。当中空单元旋转时使用定点倾斜模式，即，中空单元旋转至一定位置，通过调节第一反射镜与第二反射镜差值以一定光束入射角入射，结合扫描振镜，可以实现局部复杂形状的可控锥度加工。

例如，如图4所示，中空单元分别旋转至系统θ＝0°、90°、180°、270°时静止定位，调整光束入射角th3为所需加工倾角，振镜系统进行扫描，从而得到图4所示的在θ＝0°、90°、180°、270°处具有一定锥度的形状。

实施例4：

本实施例中，激光加工装置结构与实施例2基本相同。

本实施例中，第一反射镜和第二反射镜做成一体化结构，可方便地设置在中空单元，不需要过多的调节。例如，在f、l1、th1一定时、通过调节l2以及th2得到th3，如图5所示，是th3为15°、45°及60°的器件。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。