CN104972226A - 一种双头激光加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种双头激光加工装置及加工方法。该装置包括加工平台，设于加工平台上方的第一激光器和第二激光器，分别连接在第一激光器和第二激光器的激光输出端的切割头和振镜扫描方头，所述切割头用于输出激光束对位于加工平台上的加工工件进行一次切断，所述振镜扫描方头用于输出激光束对位于一次切断后的加工工件进行二次精加工，并且所述第一激光器的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器的输出脉冲峰值功率小于第二激光器的输出脉冲峰值功率。本发明具有消除产品微裂纹、减小激光出射面的熔渣和提高产品加工品质的优点。

Description

一种双头激光加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种双头激光加工装置及加工方法。

背景技术

激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面的附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体加工成想要的形状。在切割时，一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出（注：如果吹出的气体和被切割材料产生热效反应，则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面，减少热影响区和保证聚焦镜不受污染的作用）。与传统的板材加工方法相比，激光切割具有高的切割质量（切口宽度窄、热影响区小、切口光洁）、高的切割速度、高的柔性（可随意切割任意形状）、广泛的材料适应性等优点。

以激光作为加工能源，在硬脆性陶瓷材料加工方面的应用发展潜力已见端倪，激光加工可以实现无接触式加工，减少了因接触应力而对陶瓷带来的损伤，聚焦的高能激光束作用于陶瓷表面，加之陶瓷材料对长波激光的吸收率很高，瞬间就可使材料熔化蒸发，实现高效率的加工，由于聚焦光斑小，其热影响区小，可以达到精密加工的要求。

但是目前，陶瓷材料领域内的激光加工，依然存在以下一些难题：

首先，由于激光加工的热效应产生的一定的热影响区，从而导致热应力的存在，相对于金属材料，即使是高精密陶瓷，其显微结构均匀度亦较差，严重降低了材料的抗热震性，常温下对剪切应力的变形阻力很大，而陶瓷材料是由共价键、离子键或两者混合化学键结合的物质，其中共价键强度高、键能高，且晶体间化学键方向性强，因而具有高硬度和高脆性，弹性和塑性变形难发生，因此极易形成微裂纹，难以避免。

其次，目前传统的激光切割系统，均由激光器，单切割头，工作平台等组成，其工作原理为：激光束将工件加热至溶化状态，并与光束同轴的辅助气流将溶化材料从切缝中吹掉，这种方式导致激光入射面的切割效果总好于激光出射面，激光出射面的一侧仍残留有一些毛刺和熔渣（一般在30um左右），对于大多客户，这并不会影响产品性能和外观，但面对某些要求较高的客户，需要将背面的毛刺和熔渣控制在10um以内，现有技术很难以达到。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的技术问题，提供一种可消除微裂纹、减小激光出射面熔渣和提高产品加工品质的双头激光加工装置及加工方法及裂片方法。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种双头激光加工装置，包括加工平台，设于加工平台上方的第一激光器和第二激光器，分别连接在第一激光器和第二激光器的激光输出端的切割头和振镜扫描方头，所述切割头用于输出激光束对位于加工平台上的加工工件进行一次切断，所述振镜扫描方头用于输出激光束对位于一次切断后的加工工件进行二次精加工，并且所述第一激光器的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器的输出脉冲峰值功率小于第二激光器的输出脉冲峰值功率。

根据本发明的一优选实施例：所述第一激光器通过第一传输光纤与切割头连接，所述切割头包括依次设置的第二准直镜、聚焦镜和保护镜。

根据本发明的一优选实施例：所述第二激光器通过第二传输光纤与振镜扫描方头连接，在第二传输光纤上还安装有第一准直镜，所述振镜扫描方头包括与第一准直镜对应的X轴振镜、与X轴振镜对应的Y轴振镜，以及与Y轴振镜对应的场镜。

根据本发明的一优选实施例：还包括连接于工业计算机与X轴振镜、Y轴振镜之间的振镜控制卡。

根据本发明的一优选实施例：还包括用于驱动加工平台沿X轴移动的X轴移动机构，驱动加工平台沿Y轴移动的Y轴移动机构，以及驱动所述切割头和振镜扫描方头相对于加工平台移动的Z轴移动机构。

根据本发明的一优选实施例：还包括用于控制所述双头激光加工装置工作的工业计算机（17），以及连接在工业计算机与X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构之间的运动控制卡。

根据本发明的一优选实施例：还包括用于对加工平台上的加工工件的位置进行定位的视觉定位装置，所述视觉定位装置包括定位CCD相机，与定位CCD相机连接的图像采集卡，所述图像采集卡与工业计算机连接。

根据本发明的一优选实施例：还包括用于安装加工平台的大理石机台，以及安装于大理石机台上的龙门架，加工平台通过X轴移动机构和Y轴移动机构安装于大理石机台上，切割头和振镜扫描方头安装于一连接板上，所述连接板通过Z轴移动机构安装于龙门架上，并且定位CCD相机安装于连接板上。

本发明还提供一种基于上述的双头激光加工装置的加工方法，包括以下步骤，

S1.将加工工件放置于加工平台上；

S2.控制第一激光器启动，第一激光器输出激光束对位于加工平台上的加工工件进行一次切断；

S3.控制第二激光器启动，第二激光器输出激光束对位于一次切断后的加工工件进行二次精加工；在此过程中，第一激光器的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器的输出脉冲峰值功率小于第二激光器的输出脉冲峰值功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用切割头输出高平均功率、较大脉冲宽度的激光束对材料本身进行一次切断，通过振镜扫描方头输出脉冲宽度小，脉冲峰值功率高的激光束来对产品切割断面进行二次精加工，以去除一次加工中残留的微裂纹和熔渣，其具有消除了产品的微裂纹、减小激光出射面的熔渣和提高产品加工品质的优点。

附图说明

图1为本发明的双头激光加工装置的立体图。

图2为本发明的双头激光加工装置中的结构示意图。

图3为本发明的双头激光加工装置中的结构示意图。

图4为本发明的双头激光加工装置中控制系统的原理图。

图5为本发明的双头激光加工方法的流程图。

附图标记说明：1、第一激光器，2、第二激光器，31、第一传输光纤，32、第二传输光纤，4、第一准直镜，5、振镜扫描方头，6、QBH接头，7、切割头，8、定位CCD相机，9、Z轴移动机构，10、X轴移动机构，11、Y轴移动机构，12、加工平台，13、大理石机台，14、连接板，15、加工工件，16、图像采集卡，17、工业计算机，18、运动控制卡，19、振镜控制卡，20、龙门架，51、X轴振镜，52、Y轴振镜，53、场镜，71、第二准直镜，72、聚焦镜，73、保护镜。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。

参阅图1～图4所示，本发明提供一种双头激光加工装置，包括加工平台12，设于加工平台12上方的第一激光器1和第二激光器2，分别连接在第一激光器1和第二激光器2的激光输出端的切割头7和振镜扫描方头5，所述切割头7用于输出激光束对位于加工平台12上的加工工件15进行一次切断，所述振镜扫描方头5用于输出激光束对位于一次切断后的加工工件15（如图2、3）进行二次精加工，并且所述第一激光器1的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器2的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器1的输出脉冲峰值功率小于第二激光器2的输出脉冲峰值功率，以及还包括用于控制该加工装置工作的工业计算机17（如图4），用于控制第一激光器1和第二激光器2的开关等功能。

在本发明的上述技术方案中，第一激光器1平均输出功率较高，输出脉冲宽度较大，脉冲峰值功率较高，有利于初次加工中对加工工件15进行一次切断，实现高效切割，其脉冲峰值功率较高则保证了初次加工即具有较为不错的切割质量；而第二激光器2平均输出功率较低，输出脉冲宽度很小，脉冲峰值功率很高，这是由于二次加工为产品边缘的精修过程，选用的激光器功率不必过高，低脉宽高峰值则大大提高了二次加工的切割质量。

在本发明中，所述第一激光器1通过第一传输光纤31与切割头7连接，如图2所示，所述切割头7包括依次设置的第二准直镜71、聚焦镜72和保护镜73，其中，传输光纤31通过QBH接头6与切割头7上方的准直镜（第二准直镜71）相耦合，这样，第一激光器1发出的激光通过第一传输光纤31导入切割头7内。

在本发明中，所述第二激光器2通过第二传输光纤32与振镜扫描方头5连接，在第二传输光纤32上还安装有第一准直镜4，如图3所示，所述振镜扫描方头5包括与第一准直镜4对应的X轴振镜51、与X轴振镜51对应的Y轴振镜52，以及与Y轴振镜52对应的场镜53（F-θ镜），这样，第二激光器2发出的激光通过第二传输光纤32导入振镜扫描方头5内。

请参阅图4，本发明还包括连接于工业计算机17与X轴振镜51、Y轴振镜52之间的振镜控制卡19。这样即可通过振镜控制卡19来控制X轴振镜51和Y轴振镜52的高速摆动电机转动，实现高精度、高速度的控制，以使振镜扫描方头5可实现高效的加工。

本发明还包括用于驱动加工平台12沿X轴移动的X轴移动机构10，驱动加工平台12沿Y轴移动的Y轴移动机构11，以及驱动所述切割头7和振镜扫描方头5相对于加工平台12移动的Z轴移动机构9。并且还包括连接在工业计算机17与X轴移动机构10、Y轴移动机构11和Z轴移动机构9之间的运动控制卡18。

本发明还包括用于对加工平台12上的加工工件15的位置进行定位的视觉定位装置，所述视觉定位装置包括定位CCD相机8，与定位CCD相机8连接的图像采集卡16，所述图像采集卡16与工业计算机17连接，定位CCD相机8主要通过图像捕捉的方式达到精确定位以及协调切割头7和振镜扫描方头5的加工位置等。

请参阅图1，本发明还包括用于安装加工平台12的大理石机台13，以及安装于大理石机台13上的龙门架20，加工平台12通过X轴移动机构10和Y轴移动机构11安装于大理石机台13上，切割头7和振镜扫描方头5安装于一连接板14上，所述连接板14通过Z轴移动机构9安装于龙门架20上，并且定位CCD相机8安装于连接板14上，其中X轴移动机构10、Y轴移动机构11和Z轴移动机构9主要采用的是高精度直线电机进行驱动的，在具体加工时，可将加工工件15通过产品治具放置在加工平台12上。由于采用了大理石机台13，其重量大、冷热变形量小，可以保证整个加工平台的稳定性。

结合图5所示，本发明还提供一种基于上述的双头激光加工装置的加工方法，包括以下步骤，

第一步，将加工工件15放置于加工平台12上；

第二步，控制Z轴移动机构9将切割头7靠近加工工件15的表面（即焦点位置），控制第一激光器1启动，第一激光器1输出激光束对位于加工平台12上的加工工件15进行一次切断，即第一激光器1输出激光束将加工工件15加热至溶化状态，并与光束同轴的辅助气流将溶化材料从切缝中吹掉，产品即被一次切断。

第三步，待切断结束后，X轴移动机构10和Y轴移动机构11控制加工平台12移动至所述振镜扫描方头5的场镜53的有效加工区域内，控制第二激光器2启动，第二激光器2对位于一次切断后的加工工件15进行二次精加工，即经高速振镜多次扫描精加工后，得到最终产品，在整个加工过程中，第一激光器1的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器2的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器1的输出脉冲峰值功率小于第二激光器2的输出脉冲峰值功率。

下面再结合两个具体应用的实施例对本发明作进一步的介绍。

实施例一

在本实施例中，所采用的第一激光器1为一台单模脉冲IPG光纤150W激光器，该激光器的波长为1070nm，最大平均输出功率为150W，最大脉冲峰值功率为1500W；第二激光器2为一台IPG20W脉冲光纤激光器，波长为1070nm，最大平均输出功率为20W，最大脉冲峰值功率为2×104W，振镜扫描方头5为高速振镜系统，切割头7为光纤专用切割头，并配备有准直镜筒和QBH接头。样品材料为表面经磨光的0.3mm黑色氧化锆陶瓷，吹气类型为氧气，压力为2MPa，切割头7聚焦透镜的焦距为50mm，切割速度5mm/s，设定第一激光器1频率为500Hz，脉宽为0.2ms，激光占空比为30%，加工Ф10mm的圆形孔和2×10mm的U形孔，加工完成后进行二次精加工，振镜扫描速度为300mm/s，第二激光器2频率为100KHz，激光占空比为80%，扫描图形的路径比切割路径内缩0.01mm，扫描次数为50，二次加工完成后，即可得到最终产品。

加工完成后的产品具有如下的特点：激光入射面崩边小于0.005mm，激光出射面崩边小于0.01mm，样品表面无任何毛刺和挂渣，切割断面平整、光滑，样品表面无变色，高倍显微镜下观察无边缘裂纹和边缘残留。

实施例二

在本实施例中，所采用的第一激光器1为一台单模脉冲IPG光纤150W激光器，该激光器波长为1070nm，最大平均输出功率为150W，最大脉冲峰值功率为1500W；第二激光器2为一台皮秒激光器，该激光器波长为1064nm，最大平均输出功率为16W，脉冲宽度为皮秒级，最大峰值功率为20MW，振镜扫描方头5为高速振镜系统，切割头7为光纤专用切割头，并配备有准直镜筒和QBH接头。样品材料为1mm蓝宝石，吹气类型为氮气，压力为1MPa，切割头7聚焦透镜的焦距为100mm，切割速度3mm/s，设定第一激光器1频率为500Hz，脉宽为0.2ms，激光占空比为40%，加工Ф15mm的圆形产品，加工完成后，将单个圆形产品放置于场镜的有效扫描范围内进行二次精加工，扫描速度为500mm/s，第二激光器2频率为300KHz，激光占空比为90%，扫描路径比产品外形边框尺寸外扩0.01mm，扫描次数为200，加工完成后，即可得到最终产品。

加工完成后的产品具有如下的特点：样品表面无变色，切割断面齐整、光滑，无毛刺，两面崩边均小于0.01mm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双头激光加工装置，其特征在于：包括加工平台（12），设于加工平台（12）上方的第一激光器（1）和第二激光器（2），分别连接在第一激光器（1）和第二激光器（2）的激光输出端的切割头（7）和振镜扫描方头（5），所述切割头（7）用于输出激光束对位于加工平台（12）上的加工工件（15）进行一次切断，所述振镜扫描方头（5）用于输出激光束对位于一次切断后的加工工件（15）进行二次精加工，并且所述第一激光器（1）的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器（2）的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器（1）的输出脉冲峰值功率小于第二激光器（2）的输出脉冲峰值功率。

2.根据权利要求1所述的双头激光加工装置，其特征在于：所述第一激光器（1）通过第一传输光纤（31）与切割头（7）连接，所述切割头（7）包括依次设置的第二准直镜（71）、聚焦镜（72）和保护镜（73）。

3.根据权利要求2所述的双头激光加工装置，其特征在于：所述第二激光器（2）通过第二传输光纤（32）与振镜扫描方头（5）连接，在第二传输光纤（32）上还安装有第一准直镜（4），所述振镜扫描方头（5）包括与第一准直镜（4）对应的X轴振镜（51）、与X轴振镜（51）对应的Y轴振镜（52），以及与Y轴振镜（52）对应的场镜（53）。

4.根据权利要求3所述的双头激光加工装置，其特征在于：还包括用于控制所述双头激光加工装置工作的工业计算机（17），以及连接于工业计算机（17）与X轴振镜（51）、Y轴振镜（52）之间的振镜控制卡（19）。

5.根据权利要求4所述的双头激光加工装置，其特征在于：还包括用于驱动加工平台（12）沿X轴移动的X轴移动机构（10），驱动加工平台（12）沿Y轴移动的Y轴移动机构（11），以及驱动所述切割头7和振镜扫描方头（5）相对于加工平台（12）移动的Z轴移动机构（9）。

6.根据权利要求5所述的双头激光加工装置，其特征在于：还包括连接在工业计算机（17）与X轴移动机构（10）、Y轴移动机构（11）和Z轴移动机构（9）之间的运动控制卡（18）。

7.根据权利要求6所述的双头激光加工装置，其特征在于：还包括用于对加工平台（12）上的加工工件（15）的位置进行定位的视觉定位装置，所述视觉定位装置包括定位CCD相机（8），与定位CCD相机（8）连接的图像采集卡（16），所述图像采集卡（16）与工业计算机（17）连接。

8.根据权利要求7所述的双头激光加工装置，其特征在于：还包括用于安装加工平台（12）的大理石机台（13），以及安装于大理石机台（13）上的龙门架（20），加工平台（12）通过X轴移动机构（10）和Y轴移动机构（11）安装于大理石机台（13）上，切割头（7）和振镜扫描方头（5）安装于一连接板（14）上，所述连接板（14）通过Z轴移动机构（9）安装于龙门架（20）上，并且定位CCD相机（8）安装于连接板（14）上。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的双头激光加工装置的加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

S1.将加工工件（15）放置于加工平台（12）上；

S2.控制第一激光器（1）启动，第一激光器（1）输出激光束对位于加工平台（12）上的加工工件（15）进行一次切断；

S3.控制第二激光器（2）启动，第二激光器（2）输出激光束对位于一次切断后的加工工件（15）进行二次精加工；在此过程中，第一激光器（1）的平均输出功率和输出脉冲宽度大于第二激光器（2）的平均输出功率和输出脉冲宽度，第一激光器（1）的输出脉冲峰值功率小于第二激光器（2）的输出脉冲峰值功率。