[發明專利]一種激光鉆孔系統及激光鉆孔方法

有效

• 申請號: 201610570764.3
• 申請日: 2016-07-19
• 公開（公告）號: CN106141457B
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 張立國
• 申請（專利權）人: 張立國
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/70;B23K26/08;B23K26/04
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司11212
• 代理人: 楊立,陳振玉

技術領域

本發明屬于激光加工領域，尤其涉及一種激光光束高速旋轉運動控制的激光加工系統。

背景技術

激光鉆孔領域，激光焦點在孔和孔之間切換，目前振鏡掃描是比較成熟的最快的切換方式，表現在高的加減速、位移線速度以及定位速度。二維位移平臺是很慢的一種方式，一般很少采用了。

申請號201310042363.7的專利，激光偏移單元在激光旋轉單元之前，激光偏轉在獲得光束的偏轉角度外，光束在進入后續光學系統是，入射點也有位移，激光旋轉單元需要較大的入射口徑，需要較大的通光口徑，很難做到高速或者超高速旋轉。

光學鏡片高速旋轉時承受較大離心力，導致鏡片旋轉中心承受最大的拉應力，鏡片旋轉邊緣承受相對較小離心力，因此鏡片附加了一個發散光學系統，使得激光焦點離開平場掃描鏡的聚焦平面，無法進行激光加工，且轉速越高，激光焦點偏移距離越大。

發明內容

為了克服現有技術的不足和缺陷，本發明提供了一種激光鉆孔系統及激光鉆孔方法，能夠提高激光光束旋轉速度并確保激光焦點保持在待加工工件表面或特定空間位置，并實現旋轉光束的高速高精度精細調制，獲得高速高精度的激光旋轉填充鉆孔效果。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：

一方面，本發明提供了一種激光鉆孔系統，包括入射光束旋轉運動模塊、高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊和激光聚焦與焦點切換模塊；

所述入射光束旋轉運動模塊，用于對透射的入射光束進行旋轉調制以輸出旋轉光束，形成繞所述入射光束的光軸進行旋轉的第一光束，且所述所述第一光束光軸旋轉全角小于30毫弧度；

所述入射光束旋轉運動模塊包括至少一個激光光束旋轉單元，所述激光光束旋轉單元包括旋轉透射光學元件和用于帶動所述激光光束旋轉單元作旋轉運動的驅動裝置；所述旋轉透射光學元件旋轉速度大于6萬轉每分鐘，所述旋轉透射光學元件承受旋轉離心力從而對透射光束產生光束發散功能，且轉速越高，光束發散功能越強，所述第一光束的光束發散程度大于所述入射光束；

所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊，用于對所述第一光束的光束發散角隨著所述入射光束旋轉運動模塊旋轉速度的變化而變化產生的聚焦光束的激光焦點空間位置的變化進行補償，使得經過所述激光聚焦與焦點切換模塊聚焦后的聚焦光束的激光焦點始終處于待加工工件表面或特定空間位置；

所述高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊可以為高速旋轉運動光束發散補償單元和/或激光平場聚焦工作距補償單元；

所述高速旋轉運動光束發散補償單元，位于所述入射光束旋轉運動模塊之前或者位于所述入射光束旋轉運動模塊之后，用于對所述入射光束或所述第一光束的光束發散角進行發散角補償，使得聚焦光束的聚焦焦點始終處于待加工工件表面或者特定空間位置；

所述激光平場聚焦工作距補償單元，用于根據所述入射光束旋轉運動模塊輸出的第一光束的旋轉速度，對所述掃描平場聚焦鏡與待加工工件之間的間距進行調整，使得不論第一光束的旋轉速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦點始終處于所述待加工工件表面或者特定空間位置；

所述激光聚焦與焦點切換模塊，用于對所述高速旋轉運動光束發散補償單元或者所述入射光束旋轉運動模塊的輸出光束進行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工單元之間進行切換或者在一個加工單元處對所述聚焦光束的激光焦點掃描運動進行輔助運動控制。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以作如下改進。

進一步的，所述旋轉透射光學元件為楔形棱鏡或衍射體光柵或光楔，所述驅動裝置為空心主軸電機，所述旋轉透射光學元件安裝在所述空心主軸電機的電機主軸上；所述空心主軸電機為氣浮空心主軸電機或磁浮空心主軸電機。

旋轉透射光學元件在高速旋轉(比如，超過6萬轉/分鐘轉速)時，旋轉透射光學元件旋轉中心部位的離心力最小，隨著旋轉透射光學元件旋轉半徑增加，旋轉透射光學元件邊緣承受最大離心力，此時，旋轉透射光學元件旋轉中心部位材料受到最大拉應力，對應部位材料折射率最小，旋轉透射光學元件旋轉邊緣部位材料受到最小拉應力，對應部位材料折射率最大；轉速越大，旋轉透射光學元件中心和邊緣的折射率差越大，形成更為明顯凹透鏡現象，相當于附加了一個變化的發散光學系統，使得激光焦點離開激光聚焦與焦點切換模塊的原有聚焦平面，即離開了待加工工件的待加工位置，無法進行正常激光加工，且轉速越高，激光焦點偏移距離越大，使用高速旋轉激光焦點空間位置補償模塊可以確保聚焦光束的激光焦點始終處于待加工工件表面。