專利名稱：一種多功能激光加工頭的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光加工應用領域，具體涉及到一種多功能激光加工頭。
背景技術：
目前激光加工頭主要分為兩種第一種噴嘴式激光加工頭，它由聚焦透鏡和加工噴嘴組成的激光加工頭裝置，其激光加工方法是激光束通過聚焦透鏡和同軸加工噴嘴聚焦束在被加工工件上，移動工作臺或固定工作臺通過導光系統來移動激光聚焦束對工件進行加工。這種激光加工方式可以通過同軸加工噴嘴輸出某種氣體到激光加工區域,保護被加工區域避免被氧化(如氬氣)或與被加工區域發生化學反應(如氧氣)，助燃以提高加工效率或排出加工區熔渣(如氮氣)等。該方式最大的缺陷是加工速度較慢，其原因是工作臺或導光系統質量較大，快速加工和變換方向以及啟動/停止時，將產生較大的慣性和震動，導致較大的誤差。尤其是在加工曲率半徑較小的曲線時，加工速度因慣性原因下降，使激光 束與加工物質的相互作用時間過長，熱影響區增大，無法獲得較高的加工質量。此外，加工速度較慢也將影響激光加工效率，這也是在工業應用中所要考慮的重要指標之第二種是掃描振鏡式激光加工頭，它由xy兩維全反掃描振鏡和掃描聚焦透鏡(如平常聚焦透鏡或遠心掃描透鏡)組成，激光加工方法是激光束通過xy兩維掃描振鏡和掃描聚焦透鏡聚焦在加工工件上。xy兩維掃描振鏡在計算機的控制下運動，帶動聚焦激光束對工件進行平面掃描加工。這種激光掃描加工方式具有輸出力矩大、轉動慣量小、響應速度快(可達O. 5毫秒以下)等優點。不但可以快速加工來提高加工效率，而且在加工曲率半徑較小的曲線時，因掃描速度較快，使激光束與加工物質的相互作用時間短，減小熱影響區而獲得較好的加工質量和較高加工效率。該方式的主要缺點是無法采用與激光聚焦束同軸的加工噴嘴而不具有保護、排除或助燃提高加工效率功能，該缺陷也會導致精細微加工精度和質量變差。
發明內容
為了克服以上兩種激光加工工所具有的缺陷，充分利用它們的長處，本發明提供了一種多功能激光加工頭，可以實現以上二種激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增強了激光加工能力。本發明提供的一種多功能激光加工頭，其特征在于，通過連接件將掃描振鏡式激光加工頭和噴嘴式激光加工頭組合成一個封閉結構，使工作時激光束進入掃描振鏡式激光加工頭，經過掃描振鏡式激光加工頭投射到噴嘴式激光加工頭，再匯聚到固定在兩維工作臺上的工件表面上。作為上述技術方案的改進，連接件為連接筒，掃描振鏡式激光加工頭包括兩維全反掃描振鏡和聚集透鏡，所述聚集透鏡和同軸加工噴嘴構成噴嘴式激光加工頭，所述同軸加工噴嘴上連接有進氣管，連接筒將兩維全反掃描振鏡、聚集透鏡和同軸加工噴嘴依次連接在一起，并形成一個封閉結構。
作為上述技術方案的進一步的改進，所述連接筒位于所述兩維全反掃描振鏡與所述聚集透鏡之間，或者位于所述聚集透鏡與所述同軸加工噴嘴之間。作為上述技術方案的更進一步的改進，連接筒應將聚集透鏡與兩維全反掃描振鏡中的X、y軸全反鏡之間的間隔固定在一個適合的距離，以避免在加工材料過程中產生的反射光損壞x、y軸全反鏡表面膜層。同軸加工噴嘴的出口直徑大小應該依加工尺寸范圍和類別確定；當用于焊接、表面處理和熔覆應用時，同軸加工噴嘴的直徑大于加工區域的尺寸；當用于刻蝕、切割和鉆孔應用時，同軸加工噴嘴的直徑小于等于加工區域的尺寸。本發明的基本原理是采用一種機械裝置將上述兩種激光加工方式結合在一起，利用它們各自的優點來互補各自缺陷，在快速掃描加工的同時能對加工區域實現保護避免氧化或排渣或化學反應等功能，提高加工精度和效率的同時也改善加工質量。但該發明的裝置并不是簡單的將上述兩種激光加工方式直接結合在一起，而是必須要考慮下面的設計因素 I、必須采用光學設計原理和聚焦透鏡的焦長，計算聚焦透鏡與掃描振鏡中的反射鏡片的合適距離，避開在加工材料過程中產生的反射光能損壞掃描振鏡中的反射鏡表面膜層的距離；2、對于加工精度或質量要求不很高時，可采用一般的聚焦透鏡即可；但對加工精度或質量要求很高時，需采用掃描聚焦透鏡；3、噴嘴出口直徑大小，應根據加工尺寸范圍和類別(鉆孔或刻蝕或焊接或表面處理等)而定。
圖I為本發明的一種具體實現方式的結構示意圖；圖2為本發明的另一種具體實現方式的結構示意圖。
具體實施例方式本發明采用一種機械裝置，將上述第一種激光加工方式和第二種激光加工方式結合為一體，實現同一個加工頭上能同時進行高精度、快速掃描加工，以及輸送保護氣體、排洛氣體或化學反應氣體功能的目的。下面通過附圖和實例對本發明方法作進一步詳細的說明，但以下實施例僅是說明性的，本發明的保護范圍并不受這些實施例的限制。如圖I所示，本發明提供的激光加工頭的第一種具體實現方式的結構為激光加工頭由xy兩維全反掃描振鏡4、連接筒5、聚集透鏡6和同軸加工噴嘴7組成，聚集透鏡6為一般聚焦透鏡或掃描聚焦透鏡。xy兩維全反掃描振鏡4由X軸全反鏡2和y軸全反鏡3構成，其功能是通過x軸全反鏡2和y軸全反鏡3控制激光束I在xy平面軌跡運動。連接筒5將兩維全反掃描振鏡4、聚集透鏡6和同軸加工噴嘴7依次連接在一起，并形成一個封閉結構，保護光學鏡片不被污染；同軸加工噴嘴7上接有用于通入氣體9的進氣管8。連接筒5將兩維全反掃描振鏡4中的x、y軸全反鏡與聚集透鏡6之間的間隔均固定在一個合適的距離，避免在加工材料過程中產生的反射光損壞X、y軸全反鏡表面膜層。具體利用光學軟件(如ZEMAX光學設計軟件)根據聚焦透鏡的焦長和掃描振鏡的光路結構尺寸計算聚集透鏡6與掃描振鏡中的X、y軸全反鏡的距離。同軸加工噴嘴7的出口直徑大小依加工尺寸范圍和類別而定。當用于焊接、表面處理和熔覆應用時，加工的尺寸范圍較大，應采用較大出口直徑的同軸加工噴嘴(通常應大于加工區域的尺寸)，提高對加工區域的保護或化學反應能力；當用于刻蝕、切割和鉆孔應用時，應采用較小口直徑的同軸加工噴嘴(通常應小于等于加工區域的尺寸)，提高較強的排查和保護能力。聚集透鏡6將輸入的激光束I聚焦在固定在工作臺11的工件10的表面上。氣體9通過進氣管8和加工噴嘴7流向加工工件10的激光加工區域。連接筒5將兩維全反掃描振鏡4與聚集透鏡6和同軸加工噴嘴7連接在一起。該裝置的特點是可以采用短焦距的聚焦透鏡或掃描聚焦透鏡來獲得極小的激光聚焦光斑直徑，實現微小尺寸結構的激光刻蝕加工。其工作原理是激光束I進入xy兩維掃描振鏡4，經過x軸全反鏡2和y軸全反鏡 3投射到聚集透鏡6，再通過同軸加工噴嘴7匯聚到固定在兩維工作臺11上的工件10表面上。X y兩維掃描振鏡在計算機程序軟件的控制下運動，控制激光軌跡對工件10進行x-y二維平面快速激光掃描切割、劃片或鉆孔加工。與此同時，輸送氣體9通過進氣管8和加工噴嘴7流向加工工件10的激光加工區域。輸送的氣體可以用于排除激光加工區的熔渣和煙霧，提高加工質量，或者與激光加工區材料進行化學反應，提高加工效率，或者保護激光加工區避免被氧化，從而實現激光高精度、高質量和高效率加工，目的。圖2所示是本發明提供的激光加工頭的另一種具體實現方式的結構，本實例所不同的是聚集透鏡6直接與兩維全反掃描振鏡4連接，然后再與連接筒5和同軸加工噴嘴7連接，并形成一個封閉結構。兩維全反掃描振鏡4的功能是通過X軸全反鏡2和y軸全反鏡3控制激光束I在xy平面軌跡運動。聚集透鏡6將輸入的激光束I聚焦在固定在工作臺11的工件10的表面上。輸送氣體9通過進氣管8和加工噴嘴7流向加工工件10的激光加工區域。該裝置的特點是可以采用長焦距的聚焦透鏡或掃描聚焦透鏡來獲得較大的激光聚焦光斑直徑，實現激光微結構的焊接、熔覆和表面處理加工。其工作原理是激光束I進入xy兩維掃描振鏡4，經過x軸全反鏡2和y軸全反鏡3投射到聚集透鏡6，再通過同軸加工噴嘴7匯聚到固定在兩維工作臺11上的工件10表面上。X和y兩維掃描振鏡在計算機程序軟件的控制下運動，對工件10進行x-y 二維平面快速激光掃描焊接、熔覆、表面處理，同時，輸送氣體9通過進氣管8和加工噴嘴7流向加工工件10的激光加工區域，保護激光加工區域或與激光加工區材料進行化學反應，從而實現激光高精度，快速掃描加工和輸送保護或化學反應氣體功能的目的。實例I :采用如圖I所示的激光加工頭，加工噴嘴的出口直徑為O. 5毫米，掃描聚焦透鏡焦距為100毫米，聚焦透鏡與兩維掃描振鏡中的反射鏡之間距離為240毫米；加工入口直徑為500微米和出口直徑為200微米、O. 5mm厚的錐形陶瓷噴嘴，采用xy兩維掃描振鏡對陶瓷進行變直徑激光切孔刻蝕加工的同時,輸入高氣壓氮氣排出激光刻蝕產生的熔渣。該方式不但滿足了高精度加工的尺寸要求，而且還消除了內孔壁上的重熔層，從而根除了微裂紋根源，極大提高了激光加工質量。
實例2 采用如圖I所示的激光加工頭，激光加工頭在100微米厚的不銹鋼薄片上加工直徑為80微米的100X 100陣列微孔，加工噴嘴的出口直徑為O. 2毫米，掃描聚焦透鏡焦距為50毫米，聚焦透鏡與兩維掃描振鏡中的反射鏡之間距離為120毫米；采用xy兩維掃描振鏡對不銹鋼薄片進行飛行切孔的同時，輸入高氣壓惰性氬氣排出激光刻蝕產生的熔渣，該方式不但實現高精度和快速高效加工，而且還避免激光加工處被氧化，徹底消除激光切口底部掛渣現象,提高了加 工質量。實例3 采用如圖2所示的激光加工頭，加工噴嘴出口直徑為I毫米，一般聚焦透鏡焦距為200毫米，聚焦透鏡與兩維掃描振鏡中的反射鏡之間距離為350毫米；激光加工頭焊接直徑為600微米和厚度為O. Imm的不銹鋼薄片微密封蓋，采用xy兩維掃描振鏡對不銹鋼薄片微密封蓋進行快速掃描焊接的同時，輸入氬氣保護激光焊縫區域避免被氧化，該方式不但滿足了密封質量要求，而且還因焊接速度快，防止了不銹鋼薄片微密封蓋的熱變形，同時提高了激光焊接效率。實例4:采用如圖2所示的激光加工頭，加工噴嘴出口直徑為O. 5毫米，一般聚焦透鏡焦距為200毫米，聚焦透鏡與兩維掃描振鏡中的反射鏡之間距離為350毫米；激光加工頭在直徑為60微米、厚為100微米的陶瓷微通孔壁上進行激光微熔覆，鍍上一層導電金膜。采用xy兩維掃描振鏡根據圖形數據，控制激光束對涂在微孔上的金漿料掃描加熱處理同時，輸入壓縮空氣，將金漿料吹入孔中，使整個微通孔的孔壁上能均勻度一層導電金膜，滿足微通孔的穩定可靠的導電性能。本發明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是采用本發明的技術方案和思路，做一些簡單的變化或更改，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種多功能激光加工頭，其特征在于，通過連接件將掃描振鏡式激光加工頭和噴嘴式激光加工頭組合成一個封閉結構，使工作時激光束進入掃描振鏡式激光加工頭，經過掃描振鏡式激光加工頭投射到噴嘴式激光加工頭，再匯聚到固定在兩維工作臺上的工件表面上。
2.根據權利要求I所述的多功能激光加工頭，其特征在于，連接件為連接筒，掃描振鏡式激光加工頭包括兩維全反掃描振鏡和聚集透鏡，所述聚集透鏡和同軸加工噴嘴構成噴嘴式激光加工頭，所述同軸加工噴嘴上連接有進氣管，連接筒將兩維全反掃描振鏡、聚集透鏡和同軸加工噴嘴依次連接在一起，并形成一個封閉結構。
3.根據權利要求2所述的多功能激光加工頭，其特征在于，所述連接筒位于所述兩維全反掃描振鏡與所述聚集透鏡之間。
4.根據權利要求2所述的多功能激光加工頭，其特征在于，所述連接筒位于所述聚集透鏡與所述同軸加工噴嘴之間。
5.根據權利要求2至4中任一至所述的多功能激光加工頭，其特征在于，連接筒固定聚集透鏡與兩維全反掃描振鏡中的X、y軸全反鏡之間的間隔，避免在加工材料過程中產生的反射光損壞X、y軸全反鏡表面膜層。
6.根據權利要求5至所述的多功能激光加工頭，其特征在于，同軸加工噴嘴的出口直徑大小依加工尺寸范圍和類別確定。
7.根據權利要求6至所述的多功能激光加工頭，其特征在于，當用于焊接、表面處理和熔覆應用時，同軸加工噴嘴的直徑大于加工區域的尺寸。
8.根據權利要求6至所述的多功能激光加工頭，其特征在于，當用于刻蝕、切割和鉆孔應用時，同軸加工噴嘴的直徑小于等于加工區域的尺寸。
全文摘要
本發明公開了一種多功能激光加工頭，該加工頭通過連接件將掃描振鏡式激光加工頭和噴嘴式激光加工頭組合成一個封閉結構，使工作時激光束進入掃描振鏡式激光加工頭，經過掃描振鏡式激光加工頭投射到噴嘴式激光加工頭，再匯聚到固定在兩維工作臺上的工件表面上。連接件可采用連接筒，位于所述兩維全反掃描振鏡與聚集透鏡之間，或者位于聚集透鏡與同軸加工噴嘴之間。本發明克服現有的兩種激光加工頭所具有的缺陷，充分利用它們的長處，本發明提供了一種多功能激光加工頭，可以實現以上二種激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增強了激光加工能力。
文檔編號B23K26/00GK102653030SQ20121011837
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者曾曉雁, 李祥友, 段軍, 胡乾午 申請人:華中科技大學