一種精密激光切割及微孔加工裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光應用領域，具體涉及一種精密激光切割及微孔加工裝置。
【背景技術】
[0002]目前，激光加工作為加工領域的先進制造技術，已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經濟重要部門，對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。
[0003]激光加工技術是利用經聚焦的高功率密度激光束照射加工材料，使被照射的材料迅速熔化、汽化，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，運動系統帶動加工工件或切割裝置運動，從而實現工件的切割或打孔。
[0004]工件的切割一般采用的是如圖1所示的高斯型光強分布的激光；而在工件上打孔，尤其是微孔加工時，采用如圖1所示的高斯型光強分布的激光進行微通孔及盲孔加工如圖2所示，因為高斯型光強分布為中間強，周邊弱，因此加工微型通孔時，無論是采用單個激光脈沖沖孔，還是多個激光脈沖重復打孔，一方面，中間區域因光強度高，將更容易穿透材料，而光束邊緣強度較弱，所以通孔的邊緣將產生熔融現象即通孔邊緣不光滑?’另一方面，因光束中心強度高，容易穿透材料，隨著通孔的不斷加深，將產生錐度，即通孔上部直徑與通孔底部直徑大小不同，一般是激光入射面，即通孔上部直徑較大，通孔底部直徑較小。對于盲孔的加工，若采用高斯型光強分布的激光束，一方面存在通孔加工的問題，即:邊緣不光滑、具有錐度；另一方面，若采用多個激光脈沖加工盲孔，因高斯型激光束光強中心較強，所以盲孔底部區域將受到熱，造成孔底凹陷，嚴重時甚至擊穿孔底。
[0005]為了改善高斯型光強分布的激光束加工微型通孔及盲孔的問題，一般采用的方法為，在激光束傳播方向的垂直面內加光闌，攔截掉部分光束能量，如圖3所示，圖3中曲線為二維高斯光束光強分布，其中，中心處光強最大，為Imaj^I1為采用圓孔光闌A攔截時的效果，12為采用圓孔光闌B攔截時的效果，可見當采用圓孔光闌A進行攔截，將攔截掉大部分的能量，攔截后，光束中心與邊緣的光強分別為1_、11;當采用圓孔光闌B進行攔截，將攔截掉大部分的能量，攔截后，光束中心與邊緣的光強分別為Imax、I2當光束中心和光束邊緣的光強度差別越小，則對微型通孔及盲孔加工越有利，也就是采用圓孔光闌A更有利，但是此時透過率更小，所以雖然光闌攔截掉的光束能量更多時，加工效果更好，孔中心與邊緣效果差距也更小，但是光束能量的透過率更小，利用率降低，即損失能量更大，而此時為了將微孔空間內的材料去除，可能需要激光器發射更多的脈沖進行加工，因此效率降低，為了提高效率，可以采用更高功率的激光器，但是成本將大幅上升。
[0006]現有技術中的激光加工設備一般不具備既可用于切割，又可用于微孔加工的功能。當同一工件既要進行切割加工又要進行微孔加工或者加工不同孔徑的微孔時，則需要更換不同的激光加工設備進行加工，這種加工方式，加工工序復雜、生產效率低。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種精密激光切割及微孔加工裝置，克服現有技術中采用高斯激光加工微孔時，激光利用率低、能量損失大，加工微通孔及盲孔時，孔邊緣不光滑，隨著孔的不斷加深，將產生錐度，且盲孔加工時易出現孔底凹陷，嚴重時甚至擊穿孔底；當同一工件既要進行切割加工又要進行微孔加工或者加工不同孔徑的微孔時，加工工序復雜、生產效率低的缺陷。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種精密激光切割及微孔加工裝置，包括用于產生高斯激光的激光器及沿光路依次設置的擴束裝置、可轉動的前端反射鏡、可轉動的后端反射鏡和聚焦透鏡，所述前端反射鏡和后端反射鏡之間設有至少一套用于將高斯激光束整形為平頂激光束的光束整形系統和至少一套用于優化高斯激光束的光束優化系統，所述前端反射鏡用于選擇將經過擴束裝置后的高斯激光束反射進光束整形系統或光束優化系統，所述后端反射鏡用于將從光束整形系統或光束優化系統射出的激光束反射進聚焦透鏡。
[0009]本發明的更進一步優選方案是:所述光束整形系統包括依次設置的第一反射鏡、整形裝置、初聚透鏡、第一準直裝置及第二反射鏡，所述前端反射鏡反射來的高斯激光束經第一反射鏡反射進入整形裝置整形為平頂激光束，所述平頂激光束經初聚透鏡初步會聚后進入第一準直裝置進行準直，最后經第二反射鏡反射至所述后端反射鏡。
[0010]本發明的更進一步優選方案是:所述整形裝置與初聚透鏡之間還設有對所述平頂激光束進行攔截的小孔光闌，以減小所述平頂激光束邊緣與中心的光強差。
[0011]本發明的更進一步優選方案是:所述第一準直裝置包括固定設置的固定透鏡組及可相對移動的可動透鏡組。
[0012]本發明的更進一步優選方案是:所述光束優化系統包括依次設置的第三反射鏡、第二準直裝置、第四反射鏡。
[0013]本發明的更進一步優選方案是:所述第二準直裝置包括兩片可相對移動的準直透鏡。
[0014]本發明的更進一步優選方案是:所述擴束裝置包括至少兩片沿光路前后設置的擴束透鏡，且任一擴束透鏡均可沿光路來回移動。
[0015]本發明的更進一步優選方案是:所述后端反射鏡與聚焦透鏡之間還設有光束偏轉裝置，所述光束偏轉裝置用于改變激光束的傳播方向。
[0016]本發明的更進一步優選方案是:所述光束偏轉裝置與所述聚焦透鏡可整體移動，其包括至少一片反射鏡。
[0017]本發明的更進一步優選方案是:所述光束偏轉裝置的最末端的反射鏡與所述聚焦透鏡可整體移動。
[0018]本發明的有益效果在于，通過轉動前端反射鏡和后端反射鏡選擇將經過擴束裝置后的高斯激光束反射進光束整形系統或光束優化系統，用于生產加工，便可實現微孔加工工序和切割加工工序之間的轉換，操作簡單，有利于提高生產效率；同時通過光束整形系統將高斯激光束整形為平頂激光束，有利于提高激光的利用率及加工效率，所述平頂激光用于微孔加工時，可有效的改善微孔加工質量，減小了為孔的錐度及孔邊緣的粗糙程度，同時避免了盲孔底部受損，可得到底部平坦的盲孔。
【附圖說明】
[0019]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0020]圖1是現有技術高斯激光光強分布示意圖；
[0021]圖2是現有技術采用高斯激光加工的微孔結構示意圖；
[0022]圖3是現有技術高斯激光光強分布及小孔光闌攔截結構意圖；
[0023]圖4是平頂激光束光強分布示意圖；
[0024]圖5是本發明實施例一的精密激光切割及微孔加工裝置原理結構示意圖；
[0025]圖6是本發明實施例一的精密激光切割及微孔加工裝置另一原理結構示意圖；
[0026]圖7是本發明實施例一的精密激光切割及微孔加工裝置另一原理結構示意圖；
[0027]圖8是本發明實施例二的精密激光切割及微孔加工裝置原理結構示意圖；
【具體實施方式】
[0028]現結合附圖，對本發明的較佳實施例作詳細說明。
[0029]實施例一
[0030]如圖5、6所示，本實施例的精密激光切割及微孔加工裝置，包括用于產生高斯激光的激光器I及沿光路依次設置的擴束裝置2、可轉動的前端反射鏡3、可轉動的后端反射鏡4和聚焦透鏡5，所述前端反射鏡3和后端反射鏡4之間設有至少一套用于將高斯激光束整形為平頂激光束的光束整形系統6和至少一套用于優化高斯激光束的光束優化系統7，所述前端反射鏡3用于選擇將經過擴束裝置2后的高斯激光束反射進光束整形系統6或光束優化系統7，所述后端反射鏡4用于將從光束整形系統6或光束優化系統7射出的激光束反射進聚焦透鏡5。進一步地，所述光束整形系統6包括依次設置的第一反射鏡61、整形裝置62、初聚透鏡63、第一準直裝置64及第二反射鏡65，所述前端反射鏡3反射來的高斯激光束經第一反射鏡61反射進入整形裝置62整形為平頂激光束，所述平頂激光束經初聚透鏡63初步會聚后進入第一準直裝置64進行準直，最后經第二反射鏡65反射至所述后端反射鏡4。所述光束優化系統7包括依次設置的第三反射鏡71、第二準直裝置72、第四反射鏡73。所述光束優化系統7也可以不采用第二準直裝置72，即激光束直接從第三反射鏡71射入第四反射鏡73。由于所述光束整形系統6中存在整形裝置62，可將高斯激光束整形為平頂激光束，所以此時聚焦后的激光束為平頂分布，所以適合用于微孔(微型通孔及盲孔)加工；又由于在所述光束優化系統7中不存在整形裝置62，所以最終聚焦用于激光切割的光束依然為高斯激光束，因高斯激光束的光強集中在中央，所以適合于高效率的切割。通過轉動前端反射鏡3和后端反射鏡4選擇將經過擴束裝置2后的高斯激光束反射進光束整形系統6或光束優化系統7，用于生產加工，便可實現微孔加工工序和切割加工工序之間的快速切換，操作簡單，有利于提高生產效率；同時通過光束整形系統6將高斯激