一种激光加工装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及激光加工技术领域，特别涉及激光加工装置。


背景技术：

2.激光加工设备利用高能激光束在材料或材料表面进行切割、焊接、雕刻、热处理等，激光束与材料相互作用的方法采用激光焦点固定在被作用材料的某一位置，在整个过程中，激光焦点处于静止不动的状态，这样会导致在焦点处的能量密度最高。不同的加工工艺，要求激光束的焦点位置不同。
3.业内为了实现多样化的加工，通常都通过增加xy轴的振镜电机实现xy平面上光斑的变化；再增加z轴的电机，控制透镜实现z轴焦点的上下移动。然而这种方法使用了三组运动电机配合三组光学系统实现该摆动，一方面摆动电机的推力大小把整个摆动的频率限制在一个较低的水平，由此限制了工艺的多样性。与此同时，三组电机推动三组光学系统也导致整套光学加工系统巨大的体积。
4.因此，需要开发新的激光加工装置，以能克服现有技术中存在的相关问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例主要解决的技术问题是提供一种加工装置，满足了各种特殊应用的光场要求，调整速度快捷，并且整套光学系统体积大幅度降低。
6.本使用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
7.为解决上述技术问题，一种激光加工装置，用于对待加工工件进行加工，包括激光器，变形镜，控制单元；其中激光器包括一激光输出组件，所述激光输出组件与所述加工头适配连接，所述加工头内设置有一个变形镜，所述变形镜与所述激光输出组件位于同一光路上，用于接受所述激光输出组件输出的准直激光束并将其直接反射到待加工工件上，所述控制单元分别与所述加工头和所述激光器连接，所述准直激光束经过所述变形镜反射后在待加工工件聚焦成焦点光斑，所述控制单元控制所述变形镜的面型变化可实现所述焦点光斑以设定的速度在所述待加工工件上进行动态移动。
8.在一些实施例中，所述变形镜为单一变形镜，所述变形镜包含单一光学镜片和设置在光学镜片背部的促动器，通过控制单元调节所述促动器可带动所述光学镜片发生形变从而改变所述光学镜片的面型可实现所述激光光束的波前变化。
9.在一些实施例中，所述促动器为气压促动器或液压促动器或压电陶瓷促动器。
10.在一些实施例中，当所述促动器为压电陶瓷促动器，所述变形镜包括基座、多个固定于基座上的压电陶瓷致动器以及固定于所述多个压电陶瓷致动器上的单一光学镜片。
11.在一些实施例中，所述光学镜片为凹面镜或凸面镜或平面镜。
12.在一些实施例中，在加工过程中，通过控制单元控制所述变形镜，还可用于实现所述激光光束调整为高斯光束、平顶光束、超高斯光束。
13.在一些实施例中，在激光加工装置工作时，通过调整所述单一光学镜片的面型可实现所述焦点光斑按照设定的路径在所述待加工工件的三维空间内移动。
14.在一些实施例中，还包括电机和工作台，所述电机与所述控制单元连接，所述电机用于驱动所述工作台的运动。
15.本实用新型实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供一种激光加工装置，该激光加工装置通过所述控制单元控制所述变形镜的面型变化可用于实现所述焦点光斑以设定的速度动态移动从而对所述待加工工件进行加工，可实现快速调焦，结构简单，使用方便，光学加工系统体积低。
附图说明
16.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
17.图1是本实用新型一实施例提供的激光加工装置的结构示意图；
18.图2是图1实施例提供的变形镜的结构示意图；
19.图3是图1实施例激光光束通过变形镜的结构示意图；
20.图4是焦点位置分布图；
21.图5为运动后的光场轨迹图。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
23.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本技术。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
24.本实用新型提供的激光加工装置可以是用于激光焊接，激光切割，激光熔覆，实际使用中不作限定。
25.本实用新型实施例提供一种激光加工装置，请参阅图1，激光加工装置100包括激光器10、包括变形镜20的激光加工头(图未示出)和控制单元30。激光器10、变形镜20位于同一光路上。所述控制单元30与变形镜20连接，并用于控制所述变形镜20。所述激光器10，包含激光光源和激光输出头，激光光源产生的激光光束通过激光输出头向外输出。
26.激光器10可以包括半导体光源、固体光源、光纤激光光源中的一种或多种，从而输出至少一种或多种波长的激光。变形镜20可以为分立式变形镜、连续式变形镜，双电压变形镜、mems变形镜、薄膜变形镜、液晶空间光调制器或快速倾斜镜其中之一。激光加工装置100加工工艺可为切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等不限于此。
27.激光加工装置100工作时，激光器10产生的激光光束传输至所述变形镜20，变形镜20将激光光束反射至待加工工件200，激光光束在待加工工件200内聚焦成焦点光斑，从而加工待加工工件200。在本实施例中，激光光束通过单一变形镜20反射后直接将激光光束聚焦至待加工工件200，激光加工装置100不需要设置聚焦透镜用于将激光光束聚焦至待加工工件200内，有效减少光学器件的数量，激光加工装置100内光学系统结构紧凑。通过所述控制单元30控制所述变形镜20的面型变化可用于实现所述焦点光斑以设定的速度动态移动从而对所述待加工工件200进行加工，这种加工方式省去了使用运动电机配合光学系统实现该摆动，可以实现焦点光斑的动态移动的速率较快，满足多种加工需求，并且整套光学系统体积大幅度降低。
28.请参阅图2，图3，变形镜20为单一变形镜，变形镜20包含单一光学镜片21和设置在光学镜片21背部的促动器，通过控制单元30调节促动器可带动所述光学镜片21发生形变从而改变所述光学镜片21的面型可实现所述激光光束的波前变化。由于整个加工过程中只需要控制单一变形镜20的单一光学镜片21的面型变化，不需要多个变形镜的相互配合或是多个光学镜片的配合，因此调节过程较为精准和便捷。促动器可为气压促动器，液压促动器或压电陶瓷促动器，不限于此。
29.在一些实施例中，促动器为气压促动器时，在激光加工装置进行进行工作时，压力气体进入变形镜20内，压力使得光学镜片21发生微形变，从而使光学镜片21的面型发生变化，通过调节变形镜20内气体的压力，可得到不同的面型，镜面可以呈现为凸面、凹面、平面，激光光束经过变形镜20的光学镜面21反射后，焦点位置也不同，这就实现了气体压力调整焦点位置，满足了不同加工工艺对激光光束焦点位置的需求。
30.在一些实施例中，当促动器为压电陶瓷促动器，所述变形镜20包括基座23，固定于所述基座23上的多个压电陶瓷致动器22以及固定于多个压电陶瓷致动器22上的单一光学镜片21。当压电陶瓷致动器22阵列施加电压时，压电陶瓷促动器22产生离面位移，位移通过压电陶瓷致动器22传递到光学镜片21，使光学镜片21产生变形，从而达到面型或曲率的改变，所述光学镜片21的面型可以为凸面、凹面、平面，所述光学镜片可以为球面镜，偶次非球面镜，奇次非球面镜，轮胎面镜，自由曲面镜等不限于此。
31.在一些实施例中，激光加工装置100工作时，利用变形镜20作为整形元件，对激光器10输出的激光光束进行整形，激光器10的输出激光光束就可以整形成预先设定的目标光束。通过变形镜20改变激光光束的近场波面的相位分布，从而达到改变其远场光斑形态的目的，在不需要计算出远场光斑形状与近场相位的关系式的前提下，能够实现激光光束整形，在变形镜的容许变形范围内，可以把激光光束整形成高斯光束、平顶光束、超高斯光束等实际应用中需要的光束，不仅如此，还能够实现对激光光束中包含的静态和准静态像差的有效校正。
32.在实际加工过程中，可通过调整所述单一光学镜片21的面型，光学镜片21的面型发生微小变化从而所述焦点光斑在所述待加工工件厚度方向上向上或向下移动。
33.例如，在激光加工装置100对待加工工件进行切割时，以前随着板厚不同，需要频繁的手动调节激光加工装置100的焦点，调整效率较低，操作不方便也不安全，现在可通过控制单元来调节促动器来调整变型镜的光学镜片21的面型，使得焦点位置从(x，y，z)调整到(x，y，z1)，通过改变变形镜20的单一光学镜片21的面型或曲率可实现快速调焦，结构简
单，使用方便，加工制造成本较低。
34.在实际加工过程中，可通过调整所述单一光学镜片21的面型，光学镜片21的面型发生微小变化从而实现所述焦点光斑在所述待加工工件内平移。
35.例如，在激光加工装置100对待加工工件进行加工时，激光光束在待加工工件内的焦点不在喷嘴中心或者工艺过程中需要焦点位置在待加工工件表面作平移时，此时可通过调节促动器22来调整变型镜20的单一光学镜片21的面型，使得焦点位置从(x，y，z)调整到(x1，y1，z)，从而帮助激光加工装置100保持良好和稳定的工作状态，最大程度地提高加工能力和效率。
36.在实际加工过程中，可通过调整所述单一光学镜片21的面型，光学镜片21的面型发生微小变化从而实现所述焦点光斑按照设定的路径在待加工工件200的三维空间内移动。
37.如图4，在激光加工装置100对待加工工件进行精细加工时，需要构建三维空间中的特殊光场，通过调节促动器来调整变形镜20的光学镜片21的面型，使得焦点位置分布为(x1，y1，z1)....(xn，yn，zn),通过以上n个空间上的点最终绘制出复杂的光场分布；进一步的，我们可以针对每一个空间点增加一个光束停留时间t，使得焦点位置分布为(x1，y1，z1，t1)....(xn，yn，zn，t1),通过以上n个空间上的点最终绘制出更为复杂的光场分布。
38.如图5，特殊的，以空间中摆动一个圆柱体为例。首先我们通过变形镜在z1高度上绘制一个圆形，该圆形可以离散成(x1，y1，z1)....(xn，yn，z1)。如果从高度z1到zm高度的圆柱体离散出m个圆，则最后一个圆可以离散成(x1，y1，zm)....(xn，yn，zm)。那么空间中(x1，y1，z1)....(xn，yn，z1)......(x1，y1，zm)....(xn，yn，zm)这些点的所绘制的图样就构建出空间中的一个圆柱形的光场。如果让该光场沿着某个方向运动，这些圆柱形的光场随时间在该方向连续叠加，则该光场就能形成一个立方体的加工轨迹。
39.在加工过程中，使用单一的光学镜片21实现空间中xyz轨迹点的变化，通过随时间变化的的轨迹点实现了空间中的特殊光场分布，进而满足各种特殊应用的光场要求；并且光学镜片21面型的微小变化导致了激光光束焦点的位置变化，整体调整速度快捷。而且由于运动轨迹只通过一个光学镜片21的变型来实现，因此整套光学系统体积大幅降低。
40.在一些实施例中，激光加工装置100中控制单元30通过控制激光器10的出光功率和出光类型，同时配合调整变形镜20的面型和曲率改变，可以通过调整所述准直激光束中的出光类型，以及不同波长激光的透光比率和输出功率，实现对光斑形状的调整。
41.在一些实施例中，激光加工装置100还包括电机和工作台，电机与控制单元30连接，电机用于驱动工作台的运动，所述工作台包括可x/y/z向移动的工作台，在微细加工之前，控制单元控制电机去控制工作台沿x或y或z轴运动，实现聚焦光斑的移动对待加工工件进行粗加工。在微细加工之时，通过控制单元30控制变形镜20的单一光学镜片21的面型变化可实现对激光光束的波前变化，使得激光光束在设定的焦点位置产生目标光斑从而对待加工工件进行精细加工。
42.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。