CN102653030B - 一种多功能激光加工头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能激光加工头，该加工头通过连接件将扫描振镜式激光加工头和喷嘴式激光加工头组合成一个封闭结构，使工作时激光束进入扫描振镜式激光加工头，经过扫描振镜式激光加工头投射到喷嘴式激光加工头，再汇聚到固定在两维工作台上的工件表面上。连接件可采用连接筒，位于所述两维全反扫描振镜与聚集透镜之间，或者位于聚集透镜与同轴加工喷嘴之间。本发明克服现有的两种激光加工头所具有的缺陷，充分利用它们的长处，本发明提供了一种多功能激光加工头，可以实现以上二种激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增强了激光加工能力。
Description
技术领域
本发明属于激光加工应用领域，具体涉及到一种多功能激光加工头。
背景技术
目前激光加工头主要分为两种：第一种喷嘴式激光加工头，它由聚焦透镜和加工喷嘴组成的激光加工头装置，其激光加工方法是激光束通过聚焦透镜和同轴加工喷嘴聚焦束在被加工工件上，移动工作台或固定工作台通过导光系统来移动激光聚焦束对工件进行加工。这种激光加工方式可以通过同轴加工喷嘴输出某种气体到激光加工区域，保护被加工区域避免被氧化(如氩气)或与被加工区域发生化学反应(如氧气)，助燃以提高加工效率或排出加工区熔渣(如氮气)等。该方式最大的缺陷是加工速度较慢，其原因是工作台或导光系统质量较大，快速加工和变换方向以及启动/停止时，将产生较大的惯性和震动，导致较大的误差。尤其是在加工曲率半径较小的曲线时，加工速度因惯性原因下降，使激光束与加工物质的相互作用时间过长，热影响区增大，无法获得较高的加工质量。此外，加工速度较慢也将影响激光加工效率，这也是在工业应用中所要考虑的重要指标之
第二种是扫描振镜式激光加工头，它由xy两维全反扫描振镜和扫描聚焦透镜(如平常聚焦透镜或远心扫描透镜)组成，激光加工方法是激光束通过xy两维扫描振镜和扫描聚焦透镜聚焦在加工工件上。xy两维扫描振镜在计算机的控制下运动，带动聚焦激光束对工件进行平面扫描加工。这种激光扫描加工方式具有输出力矩大、转动惯量小、响应速度快(可达0.5毫秒以下)等优点。不但可以快速加工来提高加工效率，而且在加工曲率半径较小的曲线时，因扫描速度较快，使激光束与加工物质的相互作用时间短，减小热影响区而获得较好的加工质量和较高加工效率。该方式的主要缺点是无法采用与激光聚焦束同轴的加工喷嘴而不具有保护、排除或助燃提高加工效率功能，该缺陷也会导致精细微加工精度和质量变差。
发明内容
为了克服以上两种激光加工工所具有的缺陷，充分利用它们的长处，本发明提供了一种多功能激光加工头，可以实现以上二种激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增强了激光加工能力。
本发明提供的一种多功能激光加工头，其特征在于，通过连接件将扫描振镜式激光加工头和喷嘴式激光加工头组合成一个封闭结构，使工作时激光束进入扫描振镜式激光加工头，经过扫描振镜式激光加工头投射到喷嘴式激光加工头，再汇聚到固定在两维工作台上的工件表面上。
作为上述技术方案的改进，连接件为连接筒，扫描振镜式激光加工头包括两维全反扫描振镜和聚集透镜，所述聚集透镜和同轴加工喷嘴构成喷嘴式激光加工头，所述同轴加工喷嘴上连接有进气管，连接筒将两维全反扫描振镜、聚集透镜和同轴加工喷嘴依次连接在一起，并形成一个封闭结构。
作为上述技术方案的进一步的改进，所述连接筒位于所述两维全反扫描振镜与所述聚集透镜之间，或者位于所述聚集透镜与所述同轴加工喷嘴之间。
作为上述技术方案的更进一步的改进，连接筒应将聚集透镜与两维全反扫描振镜中的x、y轴全反镜之间的间隔固定在一个适合的距离，以避免在加工材料过程中产生的反射光损坏x、y轴全反镜表面膜层。同轴加工喷嘴的出口直径大小应该依加工尺寸范围和类别确定；当用于焊接、表面处理和熔覆应用时，同轴加工喷嘴的直径大于加工区域的尺寸；当用于刻蚀、切割和钻孔应用时，同轴加工喷嘴的直径小于等于加工区域的尺寸。
本发明的基本原理是采用一种机械装置将上述两种激光加工方式结合在一起，利用它们各自的优点来互补各自缺陷，在快速扫描加工的同时能对加工区域实现保护避免氧化或排渣或化学反应等功能，提高加工精度和效率的同时也改善加工质量。但该发明的装置并不是简单的将上述两种激光加工方式直接结合在一起，而是必须要考虑下面的设计因素：
1、必须采用光学设计原理和聚焦透镜的焦长，计算聚焦透镜与扫描振镜中的反射镜片的合适距离，避开在加工材料过程中产生的反射光能损坏扫描振镜中的反射镜表面膜层的距离；
2、对于加工精度或质量要求不很高时，可采用一般的聚焦透镜即可；但对加工精度或质量要求很高时，需采用扫描聚焦透镜；
3、喷嘴出口直径大小，应根据加工尺寸范围和类别(钻孔或刻蚀或焊接或表面处理等)而定。
附图说明
图1为本发明的一种具体实现方式的结构示意图；
图2为本发明的另一种具体实现方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明采用一种机械装置，将上述第一种激光加工方式和第二种激光加工方式结合为一体，实现同一个加工头上能同时进行高精度、快速扫描加工，以及输送保护气体、排渣气体或化学反应气体功能的目的。
下面通过附图和实例对本发明方法作进一步详细的说明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1所示，本发明提供的激光加工头的第一种具体实现方式的结构为：激光加工头由xy两维全反扫描振镜4、连接筒5、聚集透镜6和同轴加工喷嘴7组成，聚集透镜6为一般聚焦透镜或扫描聚焦透镜。
xy两维全反扫描振镜4由x轴全反镜2和y轴全反镜3构成，其功能是通过x轴全反镜2和y轴全反镜3控制激光束1在xy平面轨迹运动。
连接筒5将两维全反扫描振镜4、聚集透镜6和同轴加工喷嘴7依次连接在一起，并形成一个封闭结构，保护光学镜片不被污染；同轴加工喷嘴7上接有用于通入气体9的进气管8。
连接筒5将两维全反扫描振镜4中的x、y轴全反镜与聚集透镜6之间的间隔均固定在一个合适的距离，避免在加工材料过程中产生的反射光损坏x、y轴全反镜表面膜层。具体利用光学软件(如ZEMAX光学设计软件)根据聚焦透镜的焦长和扫描振镜的光路结构尺寸计算聚集透镜6与扫描振镜中的x、y轴全反镜的距离。
同轴加工喷嘴7的出口直径大小依加工尺寸范围和类别而定。当用于焊接、表面处理和熔覆应用时，加工的尺寸范围较大，应采用较大出口直径的同轴加工喷嘴(通常应大于加工区域的尺寸)，提高对加工区域的保护或化学反应能力；当用于刻蚀、切割和钻孔应用时，应采用较小口直径的同轴加工喷嘴(通常应小于等于加工区域的尺寸)，提高较强的排查和保护能力。聚集透镜6将输入的激光束1聚焦在固定在工作台11的工件10的表面上。气体9通过进气管8和加工喷嘴7流向加工工件10的激光加工区域。连接筒5将两维全反扫描振镜4与聚集透镜6和同轴加工喷嘴7连接在一起。该装置的特点是可以采用短焦距的聚焦透镜或扫描聚焦透镜来获得极小的激光聚焦光斑直径，实现微小尺寸结构的激光刻蚀加工。
其工作原理是激光束1进入xy两维扫描振镜4，经过x轴全反镜2和y轴全反镜3投射到聚集透镜6，再通过同轴加工喷嘴7汇聚到固定在两维工作台11上的工件10表面上。x y两维扫描振镜在计算机程序软件的控制下运动，控制激光轨迹对工件10进行x-y二维平面快速激光扫描切割、划片或钻孔加工。与此同时，输送气体9通过进气管8和加工喷嘴7流向加工工件10的激光加工区域。输送的气体可以用于排除激光加工区的熔渣和烟雾，提高加工质量，或者与激光加工区材料进行化学反应，提高加工效率，或者保护激光加工区避免被氧化，从而实现激光高精度、高质量和高效率加工，目的。
图2所示是本发明提供的激光加工头的另一种具体实现方式的结构，本实例所不同的是聚集透镜6直接与两维全反扫描振镜4连接，然后再与连接筒5和同轴加工喷嘴7连接，并形成一个封闭结构。两维全反扫描振镜4的功能是通过x轴全反镜2和y轴全反镜3控制激光束1在xy平面轨迹运动。聚集透镜6将输入的激光束1聚焦在固定在工作台11的工件10的表面上。输送气体9通过进气管8和加工喷嘴7流向加工工件10的激光加工区域。该装置的特点是可以采用长焦距的聚焦透镜或扫描聚焦透镜来获得较大的激光聚焦光斑直径，实现激光微结构的焊接、熔覆和表面处理加工。
其工作原理是激光束1进入xy两维扫描振镜4，经过x轴全反镜2和y轴全反镜3投射到聚集透镜6，再通过同轴加工喷嘴7汇聚到固定在两维工作台11上的工件10表面上。x和y两维扫描振镜在计算机程序软件的控制下运动，对工件10进行x-y二维平面快速激光扫描焊接、熔覆、表面处理，同时，输送气体9通过进气管8和加工喷嘴7流向加工工件10的激光加工区域，保护激光加工区域或与激光加工区材料进行化学反应，从而实现激光高精度，快速扫描加工和输送保护或化学反应气体功能的目的。
实例1：
采用如图1所示的激光加工头，加工喷嘴的出口直径为0.5毫米，扫描聚焦透镜焦距为100毫米，聚焦透镜与两维扫描振镜中的反射镜之间距离为240毫米；加工入口直径为500微米和出口直径为200微米、0.5mm厚的锥形陶瓷喷嘴，采用xy两维扫描振镜对陶瓷进行变直径激光切孔刻蚀加工的同时，输入高气压氮气排出激光刻蚀产生的熔渣。该方式不但满足了高精度加工的尺寸要求，而且还消除了内孔壁上的重熔层，从而根除了微裂纹根源，极大提高了激光加工质量。
实例2：
采用如图1所示的激光加工头，激光加工头在100微米厚的不锈钢薄片上加工直径为80微米的100×100阵列微孔，加工喷嘴的出口直径为0.2毫米，扫描聚焦透镜焦距为50毫米，聚焦透镜与两维扫描振镜中的反射镜之间距离为120毫米；采用xy两维扫描振镜对不锈钢薄片进行飞行切孔的同时，输入高气压惰性氩气排出激光刻蚀产生的熔渣，该方式不但实现高精度和快速高效加工，而且还避免激光加工处被氧化，彻底消除激光切口底部挂渣现象，提高了加工质量。
实例3：
采用如图2所示的激光加工头，加工喷嘴出口直径为1毫米，一般聚焦透镜焦距为200毫米，聚焦透镜与两维扫描振镜中的反射镜之间距离为350毫米；激光加工头焊接直径为600微米和厚度为0.1mm的不锈钢薄片微密封盖，采用xy两维扫描振镜对不锈钢薄片微密封盖进行快速扫描焊接的同时，输入氩气保护激光焊缝区域避免被氧化，该方式不但满足了密封质量要求，而且还因焊接速度快，防止了不锈钢薄片微密封盖的热变形，同时提高了激光焊接效率。
实例4：
采用如图2所示的激光加工头，加工喷嘴出口直径为0.5毫米，一般聚焦透镜焦距为200毫米，聚焦透镜与两维扫描振镜中的反射镜之间距离为350毫米；激光加工头在直径为60微米、厚为100微米的陶瓷微通孔壁上进行激光微熔覆，镀上一层导电金膜。采用xy两维扫描振镜根据图形数据，控制激光束对涂在微孔上的金浆料扫描加热处理同时，输入压缩空气，将金浆料吹入孔中，使整个微通孔的孔壁上能均匀度一层导电金膜，满足微通孔的稳定可靠的导电性能。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的技术方案和思路，做一些简单的变化或更改，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种多功能激光加工头，其特征在于，通过连接件将扫描振镜式激光加工头和喷嘴式激光加工头组合成一个封闭结构，使工作时激光束进入扫描振镜式激光加工头，经过扫描振镜式激光加工头投射到喷嘴式激光加工头，再汇聚到固定在两维工作台上的工件表面上连接件为连接筒，扫描振镜式激光加工头包括两维全反扫描振镜和聚集透镜，所述聚集透镜和同轴加工喷嘴构成喷嘴式激光加工头，所述同轴加工喷嘴上连接有进气管，连接筒将两维全反扫描振镜、聚集透镜和同轴加工喷嘴依次连接在一起，并形成一个封闭结构；
所述连接筒位于所述两维全反扫描振镜与所述聚集透镜之间，以固定聚集透镜与两维全反扫描振镜中的x、y轴全反镜之间的间隔，间隔距离采用光学设计原理和聚焦透镜的焦长计算得到，以避免在加工材料过程中产生的反射光损坏x、y轴全反镜表面膜层；
所述同轴加工喷嘴的出口直径大小依加工尺寸范围和类别确定；
当用于焊接、表面处理和熔覆应用时，同轴加工喷嘴的直径大于加工区域的尺寸；当用于刻蚀、切割和钻孔应用时，同轴加工喷嘴的直径小于等于加工区域的尺寸。
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