[发明专利]一种激光钻孔系统及激光钻孔方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种激光光束高速旋转运动控制的激光加工系统。

背景技术

激光钻孔领域，激光焦点在孔和孔之间切换，目前振镜扫描是比较成熟的最快的切换方式，表现在高的加减速、位移线速度以及定位速度。二维位移平台是很慢的一种方式，一般很少采用了。

申请号201310042363.7的专利，激光偏移单元在激光旋转单元之前，激光偏转在获得光束的偏转角度外，光束在进入后续光学系统是，入射点也有位移，激光旋转单元需要较大的入射口径，需要较大的通光口径，很难做到高速或者超高速旋转。

光学镜片高速旋转时承受较大离心力，导致镜片旋转中心承受最大的拉应力，镜片旋转边缘承受相对较小离心力，因此镜片附加了一个发散光学系统，使得激光焦点离开平场扫描镜的聚焦平面，无法进行激光加工，且转速越高，激光焦点偏移距离越大。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种激光钻孔系统及激光钻孔方法，能够提高激光光束旋转速度并确保激光焦点保持在待加工工件表面或特定空间位置，并实现旋转光束的高速高精度精细调制，获得高速高精度的激光旋转填充钻孔效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种激光钻孔系统，包括入射光束旋转运动模块、高速旋转激光焦点空间位置补偿模块和激光聚焦与焦点切换模块；

所述入射光束旋转运动模块，用于对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；

所述入射光束旋转运动模块包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述激光光束旋转单元作旋转运动的驱动装置；所述旋转透射光学元件旋转速度大于6万转每分钟，所述旋转透射光学元件承受旋转离心力从而对透射光束产生光束发散功能，且转速越高，光束发散功能越强，所述第一光束的光束发散程度大于所述入射光束；

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，用于对所述第一光束的光束发散角随着所述入射光束旋转运动模块旋转速度的变化而变化产生的聚焦光束的激光焦点空间位置的变化进行补偿，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或特定空间位置；

所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；

所述高速旋转运动光束发散补偿单元，位于所述入射光束旋转运动模块之前或者位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于对所述入射光束或所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；

所述激光平场聚焦工作距补偿单元，用于根据所述入射光束旋转运动模块输出的第一光束的旋转速度，对所述扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得不论第一光束的旋转速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述待加工工件表面或者特定空间位置；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。

旋转透射光学元件在高速旋转(比如，超过6万转/分钟转速)时，旋转透射光学元件旋转中心部位的离心力最小，随着旋转透射光学元件旋转半径增加，旋转透射光学元件边缘承受最大离心力，此时，旋转透射光学元件旋转中心部位材料受到最大拉应力，对应部位材料折射率最小，旋转透射光学元件旋转边缘部位材料受到最小拉应力，对应部位材料折射率最大；转速越大，旋转透射光学元件中心和边缘的折射率差越大，形成更为明显凹透镜现象，相当于附加了一个变化的发散光学系统，使得激光焦点离开激光聚焦与焦点切换模块的原有聚焦平面，即离开了待加工工件的待加工位置，无法进行正常激光加工，且转速越高，激光焦点偏移距离越大，使用高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以确保聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面。