激光加工系统的制作方法

1.本技术涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光加工系统。


背景技术：

2.激光加工技术相对于传统的机械加工技术具有清洁、无污染等效果，但目前的激光加工技术大多针对一些厚度较薄的工件进行加工，若工件厚度较大时加工效率较慢。


技术实现要素：

3.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为此本技术提出一种激光加工系统。
4.为实现上述目的，本技术公开了激光加工系统，用于加工工件，所述激光加工系统包括：
5.激光器，适于发射出激光光束；
6.调焦装置，设于所述激光器的下游，适于调整所述激光加工系统的焦距以沿z方向加工所述工件；
7.振镜装置，设于所述激光器的下游，适于调整所述激光光束的运动轨迹以沿x方向和y方向加工所述工件；以及
8.聚焦装置，设于所述调焦装置和所述振镜装置的下游，适于将所述激光光束聚焦于所述工件而形成聚焦光斑。
9.在本技术的一些实施例中，所述调焦装置设于所述振镜装置的上游。
10.在本技术的一些实施例中，所述调焦装置包括可变形反射镜和/或可变焦透镜。
11.在本技术的一些实施例中，所述调焦装置的可变形反射镜具有平面状态和弧形状态；和/或所述调焦装置的可变焦透镜具有平面状态和弧形状态。
12.在本技术的一些实施例中，所述振镜装置包括x轴振镜和y轴振镜，所述x轴振镜适于改变所述激光光束的x方向的位移，所述y轴振镜适于改变所述激光光束的y方向的位移。
13.在本技术的一些实施例中，所述聚焦装置包括聚焦透镜。
14.在本技术的一些实施例中，所述调焦装置至所述聚焦光斑之间的光路距离为焦距f 1，
15.所述调焦装置至所述聚焦装置之间的光路距离为b，
16.所述激光光束经过所述聚焦装置形成的夹角为θ，
17.所述激光光束射到所述聚焦装置上所形成的光斑直径为d，
18.满足d＝2(f1-b)tan(θ/2)。
19.在本技术的一些实施例中，所述激光加工系统还包括偏转装置，所述偏转装置设于所述激光器和所述聚焦装置之间，适于将所述激光光束旋转。
20.在本技术的一些实施例中，所述偏转装置设于所述调焦装置和所述振镜装置之间。
21.在本技术的一些实施例中，所述偏转装置包括声光偏转器、电光偏转器、楔形棱镜和偏摆镜中的至少一种。
22.在本技术的一些实施例中，所述激光加工系统还包括整形装置，所述整形装置设于所述激光器和所述聚焦装置之间，适于对所述激光光束进行整形。
23.在本技术的一些实施例中，所述整形装置设于所述激光器和所述调焦装置之间。
24.在本技术的一些实施例中，所述整形装置包括扩束镜或所述整形装置包括扩束镜和平顶整形器。
25.本技术技术方案通过设置调焦装置和振镜装置，调焦装置改变系统的焦距从而实现对工件的z方向的加工，振镜装置实现激光光束x方向和y方向的移动，从而实现激光光束在二维平面内运动，配合调焦装置z方向的加工，实现对工件的三维加工，从而提高加工速度。此外，通过设置偏转装置，偏转装置对激光光束进行旋转，实现对工件的旋切效果，进一步提高加工速度。整个激光加工系统的结构排布紧凑、稳定，有效提高加工质量。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
27.图1为一些实施例中激光加工系统示意图；
28.图2为一些实施例中激光加工系统示意图；
29.图3为一些实施例中调焦装置状态变化示意图；
30.图4为一些实施例中调焦装置状态变化示意图；
31.图5为一些实施例中调焦装置处于弧形状态示意图；
32.图6为一些实施例中聚焦光斑绕圈扫描加工示意图(其中图6中左侧部分的路径为沿xy方向扫描，右侧部分的路径为沿z方向变焦)；
33.图7为一些实施例中聚焦光斑沿同心圆路径扫描加工示意图；
34.图8为一些实施例中聚焦光斑沿直线扫描加工示意图；
35.图9为一些实施例中聚焦光斑螺旋扫描加工示意图；
36.图10为一些实施例中激光加工方法流程图；
37.图11为一些实施例中激光加工方法流程图。
38.附图标号说明：
39.激光器1000；
40.整形装置2000；
41.调焦装置3000，可变形反射镜3100；
42.偏转装置4000；
43.振镜装置5000，x轴振镜5100，y轴振镜5200；
44.聚焦装置6000，聚焦光斑6100；
45.工件7000。
46.本技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
47.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
48.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
49.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
50.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
51.本技术提出一种激光加工系统，结合图1所示，在本技术的一些实施例中，激光加工系统包括激光器1000、调焦装置3000、振镜装置5000和聚焦装置6000。
52.其中，激光器1000是一种能发生出激光光束的装置，激光光束具有一定的能量，调焦装置3000、振镜装置5000和聚焦装置6000设置在激光光束的传播路径上，激光光束的传播路径即光路，通过调焦装置3000、振镜装置5000和聚焦装置6000对激光光束的作用，使得激光光束聚焦到工件7000上而形成聚焦光斑6100，从而加工工件7000。
53.调焦装置3000为一种能调节激光加工系统的焦距的装置，调焦装置3000设置在激光器1000的下游从且位于光路上，激光器1000发射出的激光光束经过调焦装置3000的处理从而可以调焦焦距。可以理解的是，焦距是调焦装置3000至聚焦装置6000所形成的聚焦光斑6100之间的光路距离，聚焦装置6000将激光光束聚焦后才能使得能量集中起来而加工工件7000，而调焦装置3000可以使得焦距发生变化，当焦距发生变化时，聚焦光斑6100便可以发生移动，这种移动是沿着光路的方向进行移动的，因此能对工件7000产生厚度方向的加工，定义为z方向。例如，以激光光束自上而下照射到工件7000，当调焦装置3000工作时，焦距的改变使得聚焦光斑6100发生移动，此时聚焦光斑6100会沿着z方向即上下方向移动，从而实现对工件7000厚度方向上的加工。
54.振镜装置5000是一种可以控制激光光束沿x方向和y方向移动的装置，振镜装置5000设置在激光器1000的下游且位于光路上，激光器1000发射出的激光光束经过振镜装置5000的处理，实现激光光束在x方向和y方向上移动，从而实现激光光束在二维平面上形成变化的运动轨迹，如此看来，当振镜装置5000配合调焦装置3000，便能实现对工件7000的三维加工。例如，以激光光束自上而下照射到工件7000，当振镜装置5000工作时，激光光束可
以沿着左右方向(x方向)，以及前后方向(y方向)移动。振镜装置5000控制的x方向加工和y方向加工，以及调焦装置3000控制的z方向加工，是一种并行的加工，两者互不影响，从而提高了激光加工的速度。
55.聚焦装置6000是一种将经过调焦装置3000和振镜装置5000处理后的激光光束聚焦而形成聚焦光斑6100的装置，从而使得激光光束的能量汇聚起来实现对工件7000的加工，聚焦装置6000使得激光光束在工件7000上形成大小均匀的聚焦光斑6100，有效实现对工件7000的加工。聚焦装置6000可以选用聚焦透镜，聚焦透镜的种类也有多种，例如可以选用远心平场透镜，远心平场透镜兼具远心透镜和平场透镜的优点。
56.可以理解的是，调焦装置3000和振镜装置5000设置在激光器1000的下游且设置在聚焦装置6000的上游，经过调焦装置3000和振镜装置5000的处理后的激光光束射到聚焦装置6000，只要能保证经过调焦装置3000和振镜装置5000的处理后的激光光束照射到聚焦装置6000即可，因此调焦装置3000和振镜装置5000的相对位置可以选用多种方案。
57.第一种方案为，将振镜装置5000设置在调焦装置3000的上游，即激光光束先经过振镜装置5000的处理然后再经过调焦装置3000的处理。
58.第二种方案为，将调焦装置3000设置到振镜装置5000的上游，即激光光束先经过调焦装置3000的处理然后再经过振镜装置5000的处理。
59.以上两种的方案均可以实现对激光光束沿xyz方向加工工件7000，从而实现对工件7000的三维加工，但是在第一种方案中，由于振镜装置5000需要控制激光光束实现x方向和y方向移动的，当激光光束发生x方向和y方向移动时，照射到调焦装置3000上所形成的光斑就会发生相应地移动，此时需要同步控制调焦装置3000跟随变化才能有效处理激光光束。而第二中方案中，由于振镜装置5000放置在调焦装置3000的下游，调焦装置3000控制焦距发生变化，而不会使得激光光束沿xy方向移动，因此调焦装置3000的工作不影响振镜装置5000的工作，简化系统结构，提高加工精度，更加方便地实现工件7000三维方向的加工。
60.在本技术的一些实施例中，结合图3和图4所示，调焦装置3000包括有可变形反射镜3100，可变形反射镜3100将入射的激光光束反射出去，可变形反射镜3100可由压电陶瓷驱动，具有反射镜面，反射镜面可以变换多种形态，使得反射出的激光光束在聚焦装置6000上形成大小不同的光斑，从而实现焦距的改变。例如，以激光光束自上而下射到工件7000为例，可变形反射镜3100具有平面状态和弧形状态，可变形反射镜3100可以从平面状态和弧形状态之间切换，当可变形反射镜3100处于平面状态时，聚焦装置6000所形成的聚焦光斑6100位于靠上的位置，当可变形反射镜3100由平面状态切换至弧形状态时，聚焦装置6000所形成的聚焦光斑6100由上而下移动，从而实现工件7000的z方向的加工。
61.调焦装置3000也可以包括有可变焦透镜，例如液体变焦透镜、声光超快可变焦透镜等，可变焦透镜是一种透镜，其形态可实现改变从而实现变焦。如同可变形反射镜3100，可变焦透镜也具备平面状态和弧形状态，可变焦透镜可自平面状态和弧形状态之间切换，从而实现变焦以对工件7000的z方向进行加工。
62.可以理解的是，在本技术的一些实施例中，调焦装置3000可以单独利用可变形反射镜3100，也可以单独利用可变焦透镜，还可以联合利用可变形反射镜3100和可变焦透镜。
63.结合图1所示，在本技术的一些实施例中，振镜装置5000包括x轴振镜5100和y轴振镜5200，x轴振镜5100适于改变激光光束的x方向的位移，y轴振镜5200适于改变激光光束的
y方向的位移。例如，x轴振镜5100和y轴振镜5200为两面反射镜，使用计算机系统控制反射角度，x轴振镜5100和y轴振镜5200分别可以沿x轴、y轴扫描，从而使得激光光束在xy二维平面内运动，实现对工件7000的xy方向的加工。
64.由上可知，通过设置调焦装置3000和振镜装置5000，调焦装置3000改变系统的焦距从而实现对工件7000的z方向的加工，振镜装置5000实现激光光束x方向和y方向的移动，从而实现激光光束在二维平面内运动，配合调焦装置3000z方向的加工，实现对工件7000的三维加工，从而提高加工速度。光学系统的结构排布紧凑、稳定，有效提高加工质量。
65.可选地，结合图5所示，在本技术的一些实施例中，定义调焦装置3000至聚焦装置6000所形成的聚焦光斑6100之间的光路距离为焦距f 1，以调焦装置3000包括可变形反射镜3100为例，当激光光束照射到可变形反射镜3100时会形成光斑，激光光束经过聚焦装置6000会形成聚焦光斑6100，前者的光斑的中心和后者聚焦光斑6100的中心之间的光路距离即为焦距f 1。以调焦装置3000包括可变焦透镜为例，可变焦透镜的光心至聚焦光斑6100的中心之间的光路距离即为焦距f 1。下文中的光路距离类似，不再重复赘述。调焦装置3000至聚焦装置6000之间的光路距离为b，激光光束经过聚焦装置6000形成的夹角为θ，激光光束射到聚焦装置6000上形成的光斑直径为d，满足d＝2(f1-b)tan(θ/2)，通过满足如上条件，使得焦距f 1的快速改变，从而大大提高z方向的加工效率。
66.结合图2、图6和图9所示，在本技术的一些实施例中，激光加工系统还包括偏转装置4000，偏转装置4000设于激光器1000和聚焦装置6000之间，适于将所述激光光束旋转，偏转装置4000可以选用声光偏转器、电光偏转器、楔形棱镜和偏摆镜中的至少一种。
67.当聚焦光斑6100投射到工件7000时，通过激光的聚焦使得工件7000材料融化，此时聚焦光斑6100和工件7000是相对静置的，而通过设置偏转装置4000，偏转装置4000能使得激光光束快速旋转，激光光束快速旋转则会使得聚焦装置6000所形成的聚焦光斑6100也快速旋转，也就是说，聚焦光斑6100和工件7000之间并不是相对静置的，而是相对运动的，聚焦光斑6100的相对运动使得能量更为均匀地分布，实现对工件7000的旋切效果，从而进一步提高加工效率。
68.可选地，本技术的一些实施例中，偏转装置4000设于调焦装置3000和振镜装置5000之间，激光光束依次经过调焦装置3000、偏转装置4000和振镜装置5000的处理，将偏转装置4000设置在调焦装置3000的下游，这样调焦装置3000旋转激光光束时，不会因为光斑形状的变化而影响调焦装置3000的焦距调节，而将偏转装置4000设置在振镜装置5000的上游，不会因为激光光束沿xy方向移动而相对于偏转装置4000发生位置的偏移，偏转装置4000设置在调焦装置3000和振镜装置5000之间更为合理，使得激光加工系统的布置难度、调试难度大大降低。
69.结合图1和图2所示，在本技术的一些实施例中，激光加工系统还包括整形装置2000，整形装置2000设于激光器1000和聚焦装置6000之间，适于对激光光束进行整形，即通过整形装置2000的作用，使得激光光束的空间性质发生改变，例如将激光光束进行扩束、准直或者将其整形为平顶光束，从而可以提高激光光束的聚焦效果，改善激光光束的加工质量。例如整形装置2000包括有扩束镜，或者包括有扩束镜和平顶整形器的结合，可以根据实际进行选用。
70.可选地，在本技术的一些实施例中，整形装置2000设于激光器1000和调焦装置
3000之间，即激光器1000发射出的激光光束先经过整形装置2000的整形，继而到达其它部件进行处理，避免激光能量的浪费。
71.结合图10和图11所示，本技术还公开了一种激光加工方法，该激光加工方法基于上述实施例所公开的激光加工系统，包括如下步骤：
72.s10：设定工件7000的初始加工位置。将工件7000放置到工作台上，根据需要加工的方案设置好初始的加工位置。
73.s20：设定激光加工系统的工作参数。在此步骤内，可以根据工件7000的特性，需要加工的方案设定相应的工作参数。例如设定激光器1000的工作功率、频率；设定调焦装置3000的工作参数从而调整合适的焦距；设定偏转装置4000的工作参数从而使聚焦光斑6100在工件7000上沿着特定的轨迹运动，以钻出所要求的孔；设定振镜装置5000的工作参数从而控制聚焦光斑6100在二维平面的运动轨迹等
74.s30：控制激光器1000产生激光光束，激光光束经过激光加工系统的整形装置2000、调焦装置3000、偏转装置4000、振镜装置5000和聚焦装置6000而聚焦于所述工件7000形成聚焦光斑6100，在激光光束发射的过程中，激光光束经过整形装置2000、调焦装置3000、偏转装置4000、振镜装置5000和聚焦装置6000的作用，最终在工件7000上形成聚焦光斑6100，从而通过激光能量带走相应部位的材料，实现对工件7000钻孔加工，可以理解的是，这里的钻孔可以是加工出通孔，也可以是加工出盲孔。
75.s40：工件7000钻孔完毕后，关闭所述激光加工系统。如先后关闭激光器1000、调焦装置3000、偏转装置4000和振镜装置5000。
76.可选地，步骤s30包括如下步骤：
77.s31：控制调焦装置3000以沿z方向调节焦距。调焦装置3000工作实现聚焦光斑6100沿z方向快速移动，如图6右侧部分所示方向的上下方向快速移动，实现对工件7000厚度方向上的加工，即实现钻孔加工深度的控制，如此实现通孔或盲孔的加工。
78.s32：控制振镜装置5000移动激光光束以使聚焦光斑6100沿x方向和y方向移动。振镜装置5000工作实现聚焦光斑6100沿x方向和y方向移动，如图6左侧部分所示方向使得聚焦光斑6100可以快速移动到下一个待钻孔点，例如实现绕圈扫描以实现对工件7000二维平面的加工钻孔，配合调焦装置3000的作用，实现在三维空间的加工。也可以如图7所示的以同心圆的方式对工件7000加工钻孔。还可以如图8所示的沿直线的方向对工件7000加工钻孔或切割。步骤s31和步骤s32可以互不干扰的工作，不分前后顺序。
79.步骤s33：控制激光加工系统的偏转装置4000对激光光束进行旋转以使聚焦光斑6100旋转。如图9所示激光光束在偏转装置4000的作用下实现旋转，配合振镜装置5000实现聚焦光斑6100沿小轨迹(自身旋转轨迹)和大轨迹(由x和y方向共同作用)同时运动，大大提高加工速度。步骤s31、步骤s32和步骤s33可以互不干扰地工作，不分前后顺序。
80.以上所述仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是在本技术的构思下，利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本技术的专利保护范围内。