一种基于burst模式激光旋切钻装置及钻孔方法

技术领域

本发明涉及激光钻孔技术领域，尤其是一种基于burst模式激光旋切钻装置及钻孔方法。

背景技术

激光钻孔是激光经聚焦后在焦点处产生极高能量密度以一定的扫描轨迹在加工工件上扫描，从而使得扫描过的位置的材料被迅速烧蚀、气化，从而形成小孔，激光钻孔是一种无接触式钻孔方式，近年来由于其不可替代的优势越来越被机加工行业所接受。但传统钻孔方式由于激光的高斯光束特性使得孔成型的锥度难以控制，这是制约激光钻孔在机加工行业无法普及的致命弱点。

为克服锥度难以控制的问题，现有技术也有采用激光旋切钻孔技术，目前所采用的旋切钻孔方案主要为三楔形镜或四楔形镜旋切钻孔，存在的问题是，上述方案孔型的精度难以控制、操作过程要求极高，同时设备的购置成本也很高，由于对现有技术的控制要求过高、且操作难度大，很难在机加工行业中广泛普及。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于burst模式激光旋切钻装置及钻孔方法，其装置包括：激光器、四分之一波片、扩束镜、光束调制系统、聚焦透镜、工件及工作台；其中，光束调制系统由二维扫描振镜及锥透镜构成，二维扫描振镜与锥透镜光路连接；二维扫描振镜内设两组由旋转驱动电机驱动的镜片，旋转驱动电机驱动二维扫描振镜生成光束偏转角为θ的锥形光束；锥透镜上设有位置驱动电机，位置驱动电机驱动锥透镜沿光路移动，以调节锥透镜相对于二维扫描振镜之间的距离h。

其方法为：启动激光器，激光器发射的光束经过四分之一波片后射入扩束镜，由扩束镜输出平行光束进入光束调制系统，再经过光束调制系统的二维扫描振镜形成旋转的光束偏转角为θ的锥形光束，锥形光束通过锥透镜的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束，旋转激光光束射入聚焦透镜经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件上，完成对工件的成孔。

本发明工作时，通过设置二维扫描振镜的光束偏转角θ，即可确定工件上孔口的口径；通过设置锥透镜相对于二维扫描振镜之间的距离h，即可确定工件的孔型。本发明借助具有burst模式的激光器，通过选择不同的子脉冲个数、不同子脉冲的高度分布以改善钻孔质量及钻孔速度。本发明适用于加工圆柱孔、圆锥孔或倒圆锥孔不同的孔型，具有操作简便、成本低及精度高的优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于burst模式激光旋切钻装置，其特点包括：激光器、四分之一波片、扩束镜、光束调制系统、聚焦透镜、工件及工作台；所述激光器、四分之一波片、扩束镜、光束调制系统及聚焦透镜依次沿光路连接；

所述四分之一波片用改变激光光束偏振态为圆偏振；

所述扩束镜用于改变激光光束大小，其轴心与光路同轴；

所述工件设于工作台上；

所述聚焦透镜的聚焦点作用于工件上；

所述光束调制系统由二维扫描振镜及锥透镜构成，二维扫描振镜与锥透镜光路连接；

所述锥透镜上设有位置驱动电机，位置驱动电机驱动锥透镜沿光路移动，以调节锥透镜相对于二维扫描振镜之间的距离h，由于工件上孔的孔型由锥透镜相对于二维扫描振镜之间的距离h确定，调节距离h即可调节工件上的孔型为圆柱孔、圆锥孔或倒圆锥孔。

所述二维扫描振镜内设两组由旋转驱动电机驱动的扫描镜片，其旋转驱动电机驱动二维扫描振镜的光束偏转角为θ，旋转驱动电机驱动二维扫描振镜生成阳光路旋转的锥形光束，且光束偏转角θ的偏转范围为：0～90度。

所述锥透镜的顶角角度范围为：0～180度。

所述锥形光束通过锥透镜的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成高速旋转的激光光束。

所述激光器选用burst模式激光器，其波长范围为：10nm～100um；burst子脉冲个数可调范围为：1～1000；且子脉冲的高度分布可调。

一种基于上述装置实施的基于burst模式激光旋切钻孔方法，其特点包括以下步骤：

第一步,将加工工件放置于工作台上，使工件的孔口位置位于聚焦透镜的焦点处；

第二步，依据工件的孔口口径设置二维扫描振镜的光束偏转角θ；

第三步，依据工件的孔型，工件的孔型通过位置驱动电机沿光路移动锥透镜相对于二维扫描振镜之间的距离h设置；所述工件的孔型分为圆柱孔、正圆锥孔或倒圆锥孔；

第四步，设置激光器的波长为：10nm～100um；调节burst子脉冲个数范围为：1～1000；设定burst子脉冲的高度分布状态；所述子脉冲的高度分布状态分为：递增升高、递减下降及高度相等；

第五步，启动激光器，激光器发射的光束经过四分之一波片后射入扩束镜，由扩束镜输出平行光束进入光束调制系统，再经过光束调制系统的二维扫描振镜形成旋转的光束偏转角为θ的锥形光束，锥形光束通过锥透镜的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束，旋转激光光束射入聚焦透镜经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件上，完成对工件的成孔。

本发明工作时，工件上孔口的口径由设置二维扫描振镜的光束偏转角θ确定；

工件上孔的孔型由锥透镜相对于二维扫描振镜之间的距离h确定。

本发明基于burst模式激光器，通过高速二维扫描振镜配合锥透镜实现高速旋切圆柱孔、圆锥孔或倒圆锥孔，本发明具有操作简便、成本低及精度高的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为激光器burst子脉冲个数为1时脉冲的示意图；

图3为激光器burst子脉冲个数为4时子脉冲高度相等的分布示意图；

图4为激光器burst子脉冲个数为4时子脉冲高度递增升高的分布示意图；

图5为工件上成型正圆锥孔的使用状态示意图；

图6为工件上成型圆柱孔的使用状态示意图；

图7为工件上成型倒圆锥孔的使用状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做详细描述。

参阅图1，本发明包括：激光器1、四分之一波片2、扩束镜3、光束调制系统4、聚焦透镜5、工作6及工作台7；激光器1发射激光束沿光路依次经过四分之一波片2、扩束镜3、光束调制系统4及聚焦透镜5后作用于工件6上，工件6放置于工作台7上。

参阅图1、图2，本发明所述激光器1选用burst模式激光器，其子脉冲个数为1，此时能量集中在一个脉冲里面，加工时容易容易产生正锥度，此时适合加工的孔型为正圆锥孔。

参阅图1、图3，本发明所述激光器1选用burst模式激光器，其子脉冲个数为4，子脉冲的高度分布状态为：高度相等状态，相同单脉冲能量被均匀分布于四个子脉冲，后续的脉冲有助于修复钻孔出口的孔径大小，从而可以更好的控制钻孔锥度，此时适合加工的孔型为圆柱孔。

参阅图1、图4，本发明所述激光器1选用burst模式激光器，其子脉冲个数为4，子脉冲的高度分布状态为：递增升高状态，相同单脉冲能量被分布于四个子脉冲，子脉冲能量逐渐增加，后续的更高子脉冲有助于修复钻孔出口的孔径大小，从而可以更好的控制钻孔锥度，此时适合加工的孔型为倒圆锥孔。

参阅图1，本发明从激光器1发射出的激光光束的光路上依次经四分之一波片2后射入扩束镜3，扩束镜3输出平行光束，再经过光束调制系统4射入聚焦透镜5经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件6上，完成对工件6的成孔。

其一，光束调制系统4由高速二维扫描振镜41以及锥透镜42组成，光束经过二维扫描振镜41形成旋转的光束偏转角为θ的锥形光束，锥形光束通过锥透镜42的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束；

其二，锥透镜42上设有位置驱动电机43，位置驱动电机43驱动锥透镜42沿光路移动，以调节锥透镜42相对于二维扫描振镜41之间的距离h，通过距离h的改变，配合burst子脉冲个数的选择及burst子脉冲高度分布状态的选择,以完成对工件6不同孔型的钻孔。

参阅图1，高速二维扫描振镜41内设两组由旋转驱动电机驱动的镜片，激光光束经二维扫描振镜41调节后可以生成光束偏转角为θ的锥形光束；锥形光束通过锥透镜42的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束，旋转激光光束射入聚焦透镜5经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件6上。

本发明工件6上孔口的口径由设置二维扫描振镜41的光束偏转角θ确定；

本发明工件6上孔的孔型由锥透镜42相对于二维扫描振镜41之间的距离h确定。

实施例1，

参阅图1、图2、图5，一种产生正圆锥孔方法的步骤：

第一步,将加工工件6放置于工作台7上，使工件6的孔口位置位于聚焦透镜5的焦点处；

第二步，设置二维扫描振镜41的光束偏转角θ为30度；

第三步，通过位置驱动电机43设置锥透镜42相对于二维扫描振镜41之间的距离为h1；此时：h1=3/4h；

第四步，设置激光器1的波长为：1030nm；设置burst子脉冲个数为1；

第五步，启动激光器1，激光器1发射的光束经过四分之一波片2后射入扩束镜3，由扩束镜3输出平行光束进入光束调制系统4，再经过光束调制系统4的二维扫描振镜41形成旋转的光束偏转角为θ的锥形光束，锥形光束通过锥透镜42的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束，旋转激光光束射入聚焦透镜5经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件6上，完成对工件6的正圆锥孔钻孔。

实施例2，

参阅图1、图3、图6，一种产生圆柱孔方法的步骤：

第一步,将加工工件6放置于工作台7上，使工件6的孔口位置位于聚焦透镜5的焦点处；

第二步，设置二维扫描振镜41的光束偏转角θ为30度；

第三步，通过位置驱动电机43设置锥透镜42相对于二维扫描振镜41之间的距离为h2；此时：h2=1/2h；

第四步，设置激光器1的波长为：1030nm；设置burst子脉冲个数为4；设定burst子脉冲的高度分布状态为高度相等状态；

第五步，启动激光器1，激光器1发射的光束经过四分之一波片2后射入扩束镜3，由扩束镜3输出平行光束进入光束调制系统4，再经过光束调制系统4的二维扫描振镜41形成旋转的光束偏转角为θ的锥形光束，锥形光束通过锥透镜42的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束，旋转激光光束射入聚焦透镜5经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件6上，完成对工件6的圆柱孔钻孔。

实施例3，

参阅图1、图4、图7，一种产生倒圆锥孔方法的步骤：

第一步,将加工工件6放置于工作台7上，使工件6的孔口位置位于聚焦透镜5的焦点处；

第二步，设置二维扫描振镜41的光束偏转角θ为30度；

第三步，通过位置驱动电机43设置锥透镜42相对于二维扫描振镜41之间的距离为h3；此时：h3=1/4h；

第四步，设置激光器1的波长为：1030nm；设置burst子脉冲个数为4；设定burst子脉冲的高度分布状态为递增升高；

第五步，启动激光器1，激光器1发射的光束经过四分之一波片2后射入扩束镜3，由扩束镜3输出平行光束进入光束调制系统4，再经过光束调制系统4的二维扫描振镜41形成旋转的光束偏转角为θ的锥形光束，锥形光束通过锥透镜42的顶角角度与光束偏转角θ匹配后形成旋转激光光束，旋转激光光束射入聚焦透镜5经聚焦后形成旋转的聚焦光斑作用于工件6上，完成对工件6的倒圆锥孔钻孔。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。