CN109702326A - 一种提高激光打孔深度的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光打孔深度的装置及其方法，包括加工平台、夹具、工件、双聚焦透镜、声光可变焦透镜、分色镜、扩束器、激光器、激光控制器、声光可变焦透镜控制器、计算机、加工平台控制器和CCD相机。本发明采用双焦聚焦镜对光束进行聚焦，使聚焦光束获得两个焦点，并借助声光可变焦透镜连续快速变焦能力实现两个焦点在垂直方向上的快速往复移动。本发明可以明显增加激光微孔加工深度，增加深度在毫米量级，并可将更厚的材料打通。此外，本发明可以避免能量过度集中对微孔质量的影响，减小热影响，提高打孔质量。

Description

一种提高激光打孔深度的装置及其方法

技术领域

本发明属于激光打孔领域，特别是涉及一种提高激光打孔深度的装置及其方法。

背景技术

激光打孔是通过对高能激光束进行聚焦，在焦点位置获得数千摄氏度的温度，从而使工件材料在这种高温的作用下会被迅速的熔化、汽化，最后形成微孔。激光打孔技术具有打孔速度快、经济效益高、加工材料范围广、无污染等优点，尤其在航天航空工业的激光群孔加工中具有明显的优势。

但随着工业的进一步发展，高深径比微孔的应用越来越多，尤其是在国防等重要领域，如何进一步提高激光打孔的深度已成为该领域的一个重要研究问题。公开号为CN104907712A的中国专利《一种增加不锈钢激光打孔深度的新方法》通过在不锈钢表面自组装金纳米金属颗粒层,随后激光处理，使打孔位置温度急剧增高，进而增加打孔深度。但该专利提出的方法操作复杂，适用材料有限，且对微孔深度的增加有限。公开号为CN102825382A的中国专利《激光加工装置》针对晶片加工中存在的效率问题，提供了改变改质层的厚度来形成改质层的激光加工装置。通过用脉冲激光光线扫描一次而能够在半导体晶片的内部形成期望厚度(例如50～200μm)的改质层。采用本装置所获得改质层厚度虽然增加了，但如果应用到激光打孔中，相应的微孔深度增加值将在微米量级，且由于激光打孔一般是去除材料形成微孔，相对于晶片改质，其深度增加更难，所以实际增加的深度会更小，这对于激光打孔毫米量级深度的微孔而言，其增加的厚度太小。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种提高激光打孔深度的装置及其方法，该装置通过采用双聚焦透镜与声光可变焦透镜可明显提高激光打孔的深度，另外，双聚焦透镜与声光可变焦透镜的结合使用，使得焦点不会长时间作用在工件上的同一位置，进而减小热影响，提高打孔质量。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种提高激光打孔深度的装置，包括加工平台、夹具、工件、双聚焦透镜、声光可变焦透镜、分色镜、扩束器、激光器、激光控制器、声光可变焦透镜控制器、计算机、加工平台控制器和CCD相机；

所述CCD相机位于最上方、且与计算机电连接，CCD相机正下方依次放置分色镜、声光可变焦透镜、双聚焦透镜和工件；所述工件固定在夹具上，所述夹具的安装固定在加工平台上；

所述激光器、扩束器和分色镜依次位于同一光路上；所述激光控制器的一端与激光器电连接，另一端与计算机电连接；

所述加工平台控制器的一端与加工平台电连接，另一端与计算机电连接。

上述方案中，所述分色镜与水平方向呈45度角；所述激光器发射的激光依次通过扩束器、分色镜、声光可变焦透镜和双焦聚焦镜作用在工件上。

上述方案中，所述分色镜只对激光器发出波长的激光进行全反射，而对其他波长的光可透。

上述方案中，所述声光可变焦透镜采用声光的方式控制，焦点轴向往复移动距离在毫米量级，往复移动频率可高达1000KHz。

上述方案中，所述双聚焦透镜包括外部曲面与中间曲面，且外部曲面包裹住中间曲面，中间部分的焦距较长(称为下焦距，焦点为下焦点)，外面部分焦距较短(称为上焦距，焦点为上焦点)；中间曲面的焦距大于外部曲面焦距。

一种提高激光打孔深度的方法，采用双焦聚焦镜对光束进行聚焦，使聚焦光束获得两个焦点，并借助声光可变焦透镜连续快速变焦能力实现两个焦点在垂直方向上的快速往复移动。

具体包括以下步骤：

S1、将处理好的工件固定在夹具上，夹具固定在加工平台上；

S2、在CCD相机监测下，利用加工平台控制器控制加工平台，调整工件的位置进行对刀，并通过计算机记录好对刀位置；

S3、通过激光控制器设定激光器输出用于激光加工的激光束的输出参数；

S4、通过声光可变焦透镜控制器设定声光可变焦透镜的工作参数；

S5、通过计算机设定好所有加工位置，并将工件移动到初始加工位置；

S6、同时打开激光器和声光可变焦透镜对工件进行加工，在工件加工区域形成小孔；

S7、小孔加工结束后，先关闭激光器，随后关闭声光可变焦透镜；

S8、利用计算机控制加工平台控制器将加工平台移动到下一个加工位置；

S9、重复以上步骤S6～S8，对工件下一个位置进行加工，直至所有孔加工完毕。

上述方案中，所述步骤S2所述对刀方式是将双焦聚焦镜的上焦点聚焦到工件上，并将此位置设定为Z方向0点，实际加工中工件上表面不一定处在Z方向0点位置。实际加工可以设置工件位置为Z＝1mm，即工件上表面在双焦聚焦镜上焦点之上1mm；也可设置工件位置为Z＝-1mm，即工件上表面在双焦聚焦镜上焦点之下1mm。

上述方案中，所述步骤S4所述通过声光可变焦透镜控制器设定声光可变焦透镜的工作参数，其设定的参数主要包括声光可变焦透镜焦点轴向往复移动距离(Z轴方向)，往复移动频率。每次声光可变焦透镜工作结束后，自动恢复初始设置，此时，激光束通过声光可变焦透镜和双焦聚焦镜聚焦后的焦点位置为焦点初始位置，且此时焦点处于往复移动的轴向最高位置。

上述方案中，所述激光器可以为连续激光器或脉冲激光器；当激光器为脉冲激光器时，设定的加工参数中激光脉冲重复频率一定要大于声光可变焦透镜的往复移动频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用双焦聚焦镜对光束进行聚焦，使聚焦光束获得两个焦点，并借助声光可变焦透镜连续快速变焦能力实现两个焦点在垂直方向上的快速往复移动，可以明显增加微孔加工深度，增加深度在毫米量级，并可将更厚的材料打通。

2.使用双焦聚焦镜，由于存在两个焦点，每个焦点处的能量没有普通聚焦镜单个焦点处的能量集中，避免了能量过度集中对微孔质量的影响。此外，声光可变焦透镜可使得焦点快速移动，使得焦点不会长时间作用在工件上的同一位置，进而减小热影响，提高打孔质量。

3.本发明自动化程度较高，只需将工件定位好，通过计算机编程便可以实现自动化加工。

4.分色镜只对激光器发出波长的激光进行全反射，而对其它波长的光可透，使CCD相机拍摄的图片更加清晰。

附图说明

图1为本发明实施方式的一种提高激光打孔深度的装置的示意图；

图2为本发明图中涉及到的双焦聚焦镜示意图；

图3为本发明涉及到的一种提高激光打孔深度的方法流程图。

附图标记如下：

1.加工平台，2.夹具，3.工件，4.双聚焦透镜，5.声光可变焦透镜，6.分色镜，7.扩束器，8.激光器，9.激光控制器，10.声光可变焦透镜控制器，11.计算机，12加工平台控制器，13.CCD相机；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例一：

一种提高激光打孔深度的装置，包括加工平台1、夹具2、工件3、双聚焦透镜4、声光可变焦透镜5、分色镜6、扩束器7、激光器8、激光控制器9、声光可变焦透镜控制器10、计算机11、加工平台控制器12和CCD相机13；所述CCD相机13位于最上方、且与计算机11电连接，CCD相机13正下方依次放置分色镜6、声光可变焦透镜5、双聚焦透镜4和工件3；所述工件3固定在夹具2上，所述夹具2的安装固定在加工平台1上；所述激光器8、扩束器7和分色镜6依次位于同一光路上；所述激光控制器9的一端与激光器8电连接，另一端与计算机11电连接；所述加工平台控制器12的一端与加工平台1电连接，另一端与计算机11电连接。采用双焦聚焦镜4对光束进行聚焦，使聚焦光束获得两个焦点，并借助声光可变焦透镜5连续快速变焦能力实现两个焦点在垂直方向上的快速往复移动，可以明显增加微孔加工深度，增加深度在毫米量级，并可将更厚的材料打通。

所述分色镜6与水平方向呈45°；所述激光器8发射的激光依次通过扩束器7、分色镜6、声光可变焦透镜5和双焦聚焦镜4作用在工件3上。

所述分色镜6只对激光器8发出波长的激光进行全反射，而对其他波长的光可透。

所述声光可变焦透镜5采用声光的方式控制，可以实现连续快速变焦，焦点轴向往复移动距离在毫米量级(可超过10mm)，往复移动频率可高达1000KHz(往复移动频率为焦点往复移动一次，又回到初始位置所需时间的倒数)。

结合附图2所示，所述双聚焦透镜4由两个不同曲面组成，中间部分的焦距较长(称为下焦距，焦点为下焦点)，外部部分焦距较短(称为上焦距，焦点为上焦点)。通过改变中间部分的直径(2h)、两焦点距离(焦距差ΔF，ΔF为毫米量级，在打通孔时，一般将其设定为工件3的厚度)可以改变激光能量在工件3上的能量分布，进而达到最佳的打孔效果。

实施例二：

一种提高激光打孔深度的装置的打孔方法，采用双焦聚焦镜4对光束进行聚焦，使聚焦光束获得两个焦点，并借助声光可变焦透镜5连续快速变焦能力实现两个焦点在垂直方向上的快速往复移动。流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

S1、将处理好的工件3固定在夹具2上，夹具2固定在加工平台1上；

S2、在CCD相机13监测下，利用加工平台控制器控制加工平台1，调整工件3的位置进行对刀，并通过计算机11记录好对刀位置；

S3、通过激光控制器9设定激光器8输出用于激光加工的激光束的输出参数；

S4、通过声光可变焦透镜控制器10设定声光可变焦透镜5的工作参数；

S5、通过计算机11设定好所有加工位置，并将工件3移动到初始加工位置；

S6、同时打开激光器8和声光可变焦透镜5对工件3进行加工，在工件3加工区域形成小孔；

S7、小孔加工结束后，先关闭激光器8，随后关闭声光可变焦透镜5；

S8、利用计算机11控制加工平台控制器12将加工平台1移动到下一个加工位置；

S9、重复以上步骤S6～S8，对工件3下一个位置进行加工，直至所有孔加工完毕。

所述步骤S2所述对刀方式是将双焦聚焦镜4的上焦点聚焦到工件3上，并将此位置设定为Z方向0点，实际加工中工件3上表面不一定处在Z方向0点位置。

所述步骤S4所述通过声光可变焦透镜控制器10设定声光可变焦透镜5的工作参数，其设定的参数主要包括声光可变焦透镜5焦点轴向往复移动距离(Z轴方向)，往复移动频率。每次声光可变焦透镜5工作结束后，自动恢复初始设置，此时，激光束通过声光可变焦透镜5和双焦聚焦镜4聚焦后的焦点位置为焦点初始位置，且此时焦点处于往复移动的轴向最高位置。

所述激光器8可以为连续激光器或脉冲激光器；当激光器8为脉冲激光器时，设定的加工参数中激光脉冲重复频率一定要大于声光可变焦透镜5的往复移动频率。

上述技术方案体现了本发明专利的优选方案，本技术领域的技术人员对部分功能进行修改体现本专利原理的，属于本专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高激光打孔深度的装置，其特征在于，包括加工平台(1)、夹具(2)、工件(3)、双聚焦透镜(4)、声光可变焦透镜(5)、扩束器(7)、激光器(8)、激光控制器(9)、声光可变焦透镜控制器(10)、计算机(11)和加工平台控制器(12)；

从上至下依次设置有声光可变焦透镜(5)、双聚焦透镜(4)和工件(3)；所述工件(3)固定在夹具(2)上，所述夹具(2)的安装固定在加工平台(1)上；

所述激光器(8)、扩束器(7)依次位于同一光路上；所述激光控制器(9)的一端与激光器(8)电连接，另一端与计算机(11)电连接；

所述加工平台控制器(12)的一端与加工平台(1)电连接，另一端与计算机(11)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光打孔深度的装置，其特征在于，分色镜(6)设置在声光可变焦透镜(5)上方位置，所述分色镜(6)与水平方向呈45°设置；分色镜(6)上方设置有CCD相机(13)；所述激光器(8)发射的激光依次通过扩束器(7)、分色镜(6)、声光可变焦透镜(5)和双焦聚焦镜(4)作用在工件(3)上。

3.根据权利要求2所述的一种提高激光打孔深度的装置，其特征在于，所述分色镜(6)仅对激光器(8)发出的激光进行全反射，而对其它波长的光可透。

4.根据权利要求1所述的一种提高激光打孔深度的装置，其特征在于，所述声光可变焦透镜(5)为声光控制。

5.根据权利要求1所述的一种提高激光打孔深度的装置，其特征在于，所述双聚焦透镜(4)包括外部曲面与中间曲面，且外部曲面包裹住中间曲面；其中，中间曲面的焦距大于外部曲面焦距。

6.一种利用权利要求1所述提高激光打孔深度的装置的打孔方法，其特征在于，采用双焦聚焦镜(4)对光束进行聚焦，使聚焦光束获得两个焦点，并借助声光可变焦透镜(5)连续快速变焦能力实现两个焦点在垂直方向上的快速往复移动；具体包括以下步骤：

S1、将处理好的工件(3)固定在夹具(2)上，夹具(2)固定在加工平台(1)上；

S2、在CCD相机(13)监测下，利用加工平台控制器控制加工平台(1)，调整工件(3)的位置进行对刀，并通过计算机(11)记录好对刀位置；

S3、通过激光控制器(9)设定激光器(8)输出用于激光加工的激光束的输出参数；

S4、通过声光可变焦透镜控制器(10)设定声光可变焦透镜(5)的工作参数；

S5、通过计算机(11)设定好所有加工位置，并将工件(3)移动到初始加工位置；

S6、同时打开激光器(8)和声光可变焦透镜(5)对工件(3)进行加工，在工件(3)加工区域形成小孔；

S7、小孔加工结束后，先关闭激光器(8)，随后关闭声光可变焦透镜(5)；

S8、利用计算机(11)控制加工平台控制器(12)将加工平台(1)移动到下一个加工位置；

S9、重复以上步骤S6～S8，对工件(3)下一个位置进行加工，直至所有孔加工完毕。

7.根据权利要求6所述的提高激光打孔深度的装置的打孔方法，其特征在于，步骤S2中的对刀方式为将双焦聚焦镜(4)的上焦点聚焦到工件(3)上，并将此位置设定为Z方向0点。

8.根据权利要求6所述的提高激光打孔深度的装置的打孔方法，其特征在于，步骤S4通过声光可变焦透镜控制器(10)设定声光可变焦透镜(5)的工作参数，设定的工作参数主要包括声光可变焦透镜(5)焦点轴向沿Z轴方向往复移动距离，往复移动频率。

9.根据权利要求6所述的提高激光打孔深度的装置的打孔方法，其特征在于，所述激光器(8)为连续激光器或脉冲激光器。

10.根据权利要求9所述的提高激光打孔深度的装置的打孔方法，其特征在于，当激光器(8)为脉冲激光器时，激光脉冲重复频率大于声光可变焦透镜(5)的往复移动频率。