一種雙光束組合式激光加工頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種雙光束組合式激光加工頭。
【背景技術(shù)】
[0002]錐透鏡包括平凸(PCX)錐透鏡和平凹(PCV)錐透鏡。平凸(PCX)錐透鏡具有一個(gè)凸錐面和一個(gè)平面；平凹(PCV)錐透鏡具有一個(gè)凹錐面和一個(gè)平面。它們用于產(chǎn)生可隨著距離增加直徑，但又保持一致環(huán)形厚度的非衍射環(huán)形光束。若與準(zhǔn)直高斯光束配合使用，平凸(PCX)錐透鏡將可形成近似貝塞爾光束并適用于一系列醫(yī)療、研宄、測(cè)量和校準(zhǔn)應(yīng)用的環(huán)形光束。這些錐透鏡具有精確熔融的石英基片并備有無(wú)鍍膜以及各種增透膜選項(xiàng)。貝塞爾光束是一種由相等功耗的環(huán)形所形成的非衍射光束，平凸(PCX)錐透鏡和平凹(PCV)錐透鏡可沿著光軸形成環(huán)形成像，或形成近似貝塞爾光束的非衍射光束。
[0003]激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打孔是利用脈沖激光16?109W/cm2的高功率密度及優(yōu)良的空間相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸發(fā)，并輔助以高速氣流進(jìn)行各種材料的去除來(lái)實(shí)現(xiàn)孔的加工。以金屬的打孔為例，打孔過(guò)程包括以下幾個(gè)物理過(guò)程:(I)吸收與加熱階段，金屬吸收光能，工件溫度迅速上升，通過(guò)熱傳遞透入內(nèi)部。(2)熔化階段，材料溫度在沸點(diǎn)和熔點(diǎn)之間，當(dāng)材料溫度超過(guò)熔點(diǎn)時(shí)，開始熔化，熔液表面向材料深處延伸。(3)汽化階段，材料溫度大于沸點(diǎn)，一部分材料被汽化產(chǎn)生材料蒸汽，材料表面開始出現(xiàn)圓窩，溶液表面繼續(xù)向材料內(nèi)部延伸。
[4]等離子體產(chǎn)生階段，材料溫度遠(yuǎn)大于沸點(diǎn)，此時(shí)少量材料開始被汽化，同時(shí)把材料加熱到高溫；在激光加工頭輔助吹氣氣流作用下，隨著溫度不斷上升，金屬蒸汽攜帶著液相物質(zhì)以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來(lái)，從而完成打孔過(guò)程。
[0004]激光打圓孔(通孔或盲孔)一般有兩種方式，第一種是采用脈沖單點(diǎn)鉆孔，它適合于孔徑不超過(guò)光斑直徑的情況；加工時(shí)光斑固定不動(dòng)，采用一組重復(fù)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料凝固時(shí)間的極短脈沖光束來(lái)進(jìn)行打孔加工，由于多次脈沖激光能量的不斷積累，使照射區(qū)內(nèi)的材料逐層汽化蒸發(fā)，逐漸將孔加深。第二種方式是切孔，即光斑沿著輪廓線行進(jìn)，將孔內(nèi)材料直接切除，其適用于直徑大于光斑的孔。
[0005]以上兩種激光打孔技術(shù)雖然在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于精密打孔尤其是微孔而言，仍具有不足之處:1)脈沖單點(diǎn)鉆孔和切孔各自應(yīng)用的鉆孔孔徑存在難以覆蓋的中間地帶，脈沖單點(diǎn)鉆孔為了保持足夠的能量密度和打孔圓度，焦斑半徑一般在50微米以下，而切孔需要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做兩軸或三軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)以使得焦斑與工件產(chǎn)生圓周相對(duì)移動(dòng)，而對(duì)于孔徑過(guò)小的孔來(lái)說(shuō)(比如說(shuō)0.5_以內(nèi))，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度要求非常高，使得激光打孔機(jī)構(gòu)的成本很高，且孔的圓度也往往仍不夠理想；2)由于插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的存在，使得切孔的效率遠(yuǎn)不如脈沖單點(diǎn)鉆孔高，并且由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的限制，不可采用過(guò)高的激光功率，限制了高功率激光器的運(yùn)用；3)對(duì)于導(dǎo)熱各向異性的材料而言，脈沖單點(diǎn)鉆孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布，使得熱影響區(qū)在不同方向上大小不一致，直接影響了孔的圓度和孔邊質(zhì)量，易產(chǎn)生熱應(yīng)力變形；4)脈沖單點(diǎn)鉆孔和切孔的高脈沖能量全部、同時(shí)作用在同一位置，造成劇烈的熔化、汽化和等離子體現(xiàn)象，大量激光能量被浪費(fèi)在多余的熔化、汽化和等離子體吸收中，熱影響區(qū)增大，打孔質(zhì)量提升困難。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種雙光束組合式激光加工頭。
[0007]本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種雙光束組合式激光加工頭，包括環(huán)形光路系統(tǒng)和中心光路系統(tǒng)；
[0009]所述環(huán)形光路系統(tǒng)包括第一擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、錐透鏡組、聚焦物鏡和環(huán)形噴嘴，第一擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、錐透鏡組和聚焦物鏡的光軸在同一直線上，均與第一入射激光束的入射方向相同；環(huán)形噴嘴設(shè)置在聚焦物鏡的周圍，與聚焦物鏡同軸；
[0010]第一入射激光束入射至第一擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡，經(jīng)第一擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后，入射至錐透鏡組，錐透鏡組產(chǎn)生非衍射環(huán)形光束并輸出至聚焦物鏡，聚焦物鏡將非衍射環(huán)形光束聚焦后的細(xì)環(huán)形焦斑輸出至工件的表面；
[0011]所述中心光路系統(tǒng)包括第二擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、第一平面反射鏡和第二平面反射鏡；第二入射激光束經(jīng)第二擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后，入射至第一平面反射鏡，經(jīng)第一平面反射鏡反射后，入射至第二平面反射鏡，經(jīng)第二平面反射鏡反射后，垂直入射至聚焦物鏡，聚焦物鏡將激光束聚焦后輸出中心細(xì)圓斑在工件的表面；
[0012]所述中心細(xì)圓斑的位置位于環(huán)形光路系統(tǒng)輸出的細(xì)環(huán)形焦斑的中心。
[0013]本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0014]1、采用本實(shí)用新型所述的激光加工頭進(jìn)行激光打孔時(shí)，孔形由錐透鏡特性保證，且改變錐透鏡與物鏡之間距離、選用不同焦距的物鏡就可以實(shí)現(xiàn)不同的圓環(huán)直徑(即加工孔徑)，采用不同的錐透鏡還可以實(shí)現(xiàn)不同的圓環(huán)內(nèi)外環(huán)之差，因此不但從光學(xué)原理上能夠保證良好的通孔圓度，還能保證良好的圓環(huán)精度即特別適合圓環(huán)形盲孔加工，這是傳統(tǒng)脈沖單點(diǎn)打孔和切孔非常難以做到的。并且，兩個(gè)入射激光束可以使用不同波長(zhǎng)的激光束，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合打孔加工效果，這也是傳統(tǒng)脈沖單點(diǎn)打孔和切孔無(wú)法做到的。
[0015]2、脈沖單點(diǎn)鉆孔和切孔的高脈沖能量全部、同時(shí)作用在同一位置，造成劇烈的熔化、汽化和等離子體現(xiàn)象，大量激光能量被浪費(fèi)在多余的熔化、汽化和等離子體吸收中，熱影響區(qū)增大，打孔質(zhì)量提升困難。本實(shí)用新型則采用了時(shí)間和空間上的能量分離，兩個(gè)入射激光束通過(guò)設(shè)置不同的脈沖觸發(fā)延時(shí)和光程延時(shí)，造成了中心脈沖和周圍環(huán)形脈沖的順序作用，既可以是中心脈沖先作用在工件表面、預(yù)熱待鉆孔位置之后再由環(huán)形脈沖直接穿孔(適合于大孔加工)，也可以是環(huán)形脈沖先作用在工件表面、預(yù)熱待鉆孔位置之后再由中心脈沖直接打孔(適合于小孔加工)，無(wú)論是大孔還是小孔加工應(yīng)用，由于脈沖能量的時(shí)空調(diào)配(中心脈沖和周圍環(huán)形脈沖的能量比例容易通過(guò)控制兩個(gè)入射激光束的能量特性而控制)，都可以減少激光能量浪費(fèi)在無(wú)用的過(guò)度熔化、汽化和等離子體吸收現(xiàn)象，從而可以減小熱影響區(qū)，大大提升孔邊質(zhì)量。
[0016]3、采用本實(shí)用新型所述的激光加工頭進(jìn)行激光打孔時(shí)，無(wú)須光斑運(yùn)動(dòng)，比切孔方式效率極大提高；同時(shí)由于加工時(shí)不須光斑運(yùn)動(dòng)，因此毫無(wú)運(yùn)動(dòng)精度誤差，孔的圓度誤差不隨孔徑大小而影響，另一方面由于不存在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的限制，因此避免了傳統(tǒng)切孔方式對(duì)過(guò)高激光功率的限制，有利于高功率激光器的運(yùn)用。
[0017]4、本實(shí)用新型利用非衍射貝塞爾能量分布光束進(jìn)行直接光學(xué)穿孔加工，對(duì)于導(dǎo)熱各向異性的材料而言，一方面，環(huán)形光束保證了各方向上被輻照的寬度尺寸非常接近(脈沖單點(diǎn)鉆孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布使得各方向上被輻照的寬度尺寸差別很大)，另一方面孔徑邊界同時(shí)加熱，熱應(yīng)力對(duì)稱(而切孔時(shí)沿切孔圓周方向存在熱應(yīng)力循環(huán))，因此加工出的孔熱影響區(qū)在不同方