[发明专利]一种无需吹送辅助气体的激光加工装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体为一种无需吹送辅助气体的激光加工装置及方法。

背景技术

激光因具有加工速度快、对环境无污染和良好的可控性等优点，在制造业中得到了广泛的应用，市场潜力巨大，其典型应用包括激光打孔，激光切割，激光焊接，激光淬火，激光熔覆，激光表面织构等。

激光器按照出光方式分为连续激光器和脉冲激光器。脉冲激光器工作在脉冲方式，与连续激光器相比具有更大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的脉冲激光器包括：固体激光器中的钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等、氮分子激光器、准分子激光器。对脉冲激光进行调Q处理，能够将激光脉冲宽度进一步压缩，将单脉冲激光峰值功率提高几个数量级。常见的调Q技术有声光调Q、电光调Q、可饱和吸收染料调Q和Cr4：YAG可饱和吸收调Q等。

人们发现随着激光脉冲宽度的缩短，激光热效应也会随之下降，于是研制出了皮秒（10^-12秒）甚至飞秒（10^-15秒）激光器，以期完全消除激光的热效应。但是当激光脉冲峰值功率达到某一阈值，靶材表面会产生等离子体，对后续激光脉冲的能量产生屏蔽作用，极大的降低激光能量的利用率。因此，现有高能激光加工技术必须通过向工件吹送辅助气体以实时清除加工表面产生的等离子体，缓解能量屏蔽效应。

激光加工常用的辅助气体包括空气、氮气、氧气、氦气和氩气，辅助气体对成本的增加主要体现在：辅助气体的消耗量十分巨大，其储存、运输、管理都会增加激光加工设备的运行成本；辅助气体扩散至大气中造成严重的浪费，有些价格昂贵的辅助气体，如氩气，更是如此；在激光加工设备的设计及制造中不得不考虑气路因素，并且气路和光路间存在耦合问题，设计、制造成本相应上升。

发明人曾公开一种特殊激光加工工艺，即“单脉冲同点间隔多次工艺”。该工艺的核心思想是将激光脉冲间隔多次的作用在靶材同一位置，以避免负面热效应的累积，使得激光加工后的工件表面质量（主要是平整度）上升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在激光加工过程中，脉冲激光在工件表面的热效应累积使得金属表面产生熔渣、重铸层，造成工件表面平整度不高；高能激光脉冲在靶材表面产生等离子体，吸收甚至屏蔽后续激光脉冲的能量，大大降低激光能量利用效率；现有技术通过向工件表面吹送辅助气体解决上述问题，但是辅助气体增加了各方面成本，绝非经济、环保的解决方案。本发明提供一种无需吹送辅助气体的脉冲激光加工方法及实现上述方法的装置。

本发明一种无需吹送辅助气体的脉冲激光加工装置的技术方案为，包括工件夹具系统，运动执行系统，激光系统，外光路系统，控制系统，环境气体系统。

工件夹具系统包括工件夹具和辅助夹具。工件固定于工件夹具上，跟随工件夹具运动，工件夹具在电机的传动下旋转；旋转转速的设定是这样的，首先确定激光脉冲作用于靶材，作用位置所需最小线速度，最小线速度高于2m/s，然后根据加工位置的旋转半径确定在该位置的激光加工所对应的转速；对于工件b，首先将工件b装夹在辅助夹具上成一组，然后将辅助夹具装夹在工件夹具上，工件b和辅助夹具为一组或多组，在多组情况下，多个工件b以工件夹具9的旋转轴呈轴对称分布以抵消旋转产生的离心力。

运动执行系统包括电机和水平工作台。电机位于工件夹具下方，工件夹具和电机均固定在水平工作台上。工件夹具在电机的传动下旋转，使被加工工件做周期旋转运动，水平工作台调节激光头与工件的相对空间位置。

激光系统，包括脉冲激光器、调Q开关、光束整形器。脉冲激光器发射的脉冲激光依次通过调Q开关，光束整形器，外光路系统直至工件表面；调Q开关压缩激光脉冲的脉宽并且根据接受到的外部脉冲信号控制激光脉冲的发射；光束整形器对激光光束整形处理，提高光束质量。

外光路系统，包括全反镜、聚焦透镜、激光头。全反镜调整激光的传输方向，聚焦透镜将激光光束聚焦，聚焦后的激光用于加工作业，激光头对聚焦透镜6起到承载、保护的作用。

控制系统，包括工控机、数据传输线。工控机与电机和调Q开关通过数据传输线相连，并能够实现数据信号的交互传递；工控机接受电机上编码器反馈的脉冲信号，获得工件a的运动位置，当激光头运动至加工位置时工控机向调Q开关发出激光脉冲发射信号。