一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法和系统与流程

1.本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法和系统。


背景技术：

2.激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得10
5-10
15
w/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度的激光几乎可以对任何材料实行切割。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程序控制,可以实现高效率切割。
3.镍近似银白色、硬而有延展性，是具有铁磁性的金属元素。镍具有良好的可塑性，并有好的耐腐蚀性。能够高度磨光和抗腐蚀。镍片的加工需要对镍板进行切割。
4.传统的镍片切割工艺加工效率低，只能进行单方向切割，切割形状受限。随着技术的发展，采用激光器对镍片进行切割，具有无与伦比的优势，可以大大提高切割效率，因此越来越受青睐。
5.但是现有的激光切割工艺，由于光子分辨率低，一致性差，热影响区大，从而导致在微小尺寸镍片的精密加工应用领域，切割尺寸不够精确，切割线宽无法满足日益发达的现代技术的要求。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法和系统，其切割精度能够控制在0.1-10微米，切割线宽更窄，切割精度更高。
7.本发明提供一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法，包括步骤：
8.1)将镍片工件置于操作台上，所述操作台能够驱动镍片工件沿预设路径移动；
9.2)在操作台的一侧设有激光器，所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的超快激光器；所述激光器的发射频率为100khz-200khz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为50uj-100uj，所述单脉冲间能量差异≤
±
5％。
10.3)设置激光器发射的激光依次经过整形光路、光束传输光路、激光激光激光切割头后，聚焦在操作台上的镍片工件的表面；
11.4)通过控制激光束在镍片工件表面x、y、z轴的移动及激光束的行进速度，完成镍片工件的切割。
12.进一步，在步骤2)中，所述激光器为全固态皮秒激光器。
13.进一步，所述激光器的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
14.进一步，在步骤2)中，所述单脉冲宽度为1-15ps。
15.进一步，所述步骤3)中，所述光束传输光路的传输距离为200-1000mm。
16.进一步，所述步骤3)中，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。
17.进一步，在步骤2)中，所述激光器发射的激光波长设置为1064
±
5nm；所述激光光斑行进速度为1-500mm/s。
18.本发明还提供实现上述镍片红外超快激光切割方法的系统，所述系统包括操作台，光路系统和电气控制柜，所述光路系统和电气控制柜设于操作台的一侧；
19.其中，所述操作台上设有xy移动平台，所述xy移动平台上固定夹持镍片；
20.其中，所述电气控制柜内设有超快激光器和控制器，电气控制柜上部连通有光路系统，光路系统设于光路箱内，所述光路箱的另一端连接激光切割头，所述激光切割头设于xy移动平台的上方；
21.所述激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路和操作台完成镍片工件的激光切割。
22.所述光路箱下设置有升降机构。
23.本发明所述锁频均匀能量单脉冲超快激光是指超快激光工作方式为锁定频率下均匀能量单脉冲周期性输出。
24.本发明的有益效果在于：
25.1.本发明基于锁定的高重复频率、单脉冲工作、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性高的超快激光切割方法，对镍片进行切割，光子脉冲能量一致性好，在微小尺寸镍片的精密加工应用领域，切割尺寸超精细，切割的精度能够控制在 0.1-10微米，切割线宽更窄，切割精度更高。
26.2.本发明的激光切割方法，激光器输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，作用在镍片工件上的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，进一步提高切割精度。
27.3.本发明的切割方法，加工时间快，光子分辨率高，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。
28.4.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现切割，而不是通过热至熔化作用来实现切割，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、无崩边等现象。
29.5.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，工件表面清晰明亮，没有重复照射，材料表面形貌加工后一致性高，几乎不改变材料的特征参数。
附图说明：
30.图1为本发明一种镍片红外超快激光切割系统的结构示意图；
31.图2为本发明一种镍片红外超快激光切割系统的光路箱的内部结构示意图；
32.图3为本发明方法镍片切割的效果照图；
33.图3a：为1mm厚翼宽0.05mm四向多翼型镍片精密切割照片；
34.图3b：为图3a中切割样品的显微观察照片；
35.图3c:为图3a中切割样品的标准尺寸对照照片；
36.其中：1-电气控制柜，2-光路箱，21-激光器，22-整形光路，23-光束传输光路；231-反射镜组，232-单反射镜，3
–
激光切割头，4-操作台，5-横向滑轨， 6-移动平台，7-纵向滑
轨，8-支撑架，9-镍片，10-夹持装置，11-升降机构。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法和系统进一步解释，而本发明并不局限于以下实施例。
38.本发明的一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法，包括步骤：
39.1)将镍片工件9置于操作台4上，所述操作台4能够驱动镍片工件9沿预设路径移动；
40.2)在操作台4的一侧设有激光器21，所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的超快激光器；所述激光器的发射频率为100khz-200khz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为50uj-100uj，所述单脉冲间能量差异≤
±
5％。
41.3)设置激光器发射的激光依次经过整形光路22、光束传输光路23、激光激光激光切割头3后，聚焦在操作台4上的镍片工件9的表面；
42.4)通过控制激光束在镍片工件9表面x、y、z轴的移动及激光束的行进速度，完成镍片工件的切割。
43.作为本发明的一个实施方案，所述光束传输光路2-2的传输距离为 200-1000mm；优选为300-1000mm；更优选为500-800mm。
44.作为本发明的另一个实施方案，所述整形光路2-1为放大倍率为1-8倍的扩束光路；优选地，所述整形光路为放大倍率为2-6倍的扩束光路；更优选地，所述整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。
45.作为本发明的再一个实施方案，所述振镜的转速为100-10000转/秒；优选地，振镜的转速为400-5000转/秒；更优选地，振镜的转速为500-1000转/秒。
46.作为本发明的又一个实施方案，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜4，焦距为 30-300mm；优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为100-300mm；更优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为150-250mm。
47.本发明的步骤(4)为将激光参数和预设路径输入控制系统中；所述控制系统控制激光器按激光参数开始发射激光、激光束x、y、z轴的移动、激光束在镍片工件5表面的行进速度，以及控制操作台驱动镍片工件沿预设路径移动，完成镍片表面切割。
48.本发明还提供上述镍片红外超快激光切割方法的系统，所述系统包括操作台 4、光路系统和电气控制柜1，所述光路系统和电气控制柜2设于操作台4的一侧；
49.其中，所述操作台4上设有xy移动平台6，所述xy移动平台上固定夹持镍片；
50.其中，所述电气控制柜1内设有超快激光器21和控制器，电气控制柜上部连通有光路系统，光路系统设于光路箱2内，所述光路箱2的另一端连接激光切割头3，所述激光切割头设于xy移动平台的上方；
51.所述激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路系统和操作台完成镍片工件的激光切割。
52.实施例1
53.本发明切割方法包括如下步骤：
54.1)将1mm厚的镍片9通过夹持装置10固定于操作台4的xy移动平台上；
55.2)设置操作台4一侧的全固态皮秒激光器的激光参数，并将镍片9在xy 移动平台上的行动轨迹输入电气控制柜1的控制器中；其中，全固态皮秒激光器 1的波长为1064
±
5nm；发射频率为150khz；发射的单脉冲能量为70uj，单脉冲宽度为15ps，单脉冲能量的一致性为≤
±
5％；全固态皮秒激光器的窗口光斑为 2mm，发散角为1.1mrad，激光光斑行进速度为500mm/s。
56.(3)通过电气控制柜1的控制器启动全固态皮秒激光器按激光参数开始发射激光、控制xy移动平台驱动镍片9沿预定的行动轨迹，完成切割操作。
57.实现本实施例激光切割方法的系统结构如下所述：
58.如图1所示包括电气控制柜1、操作台4和全固态皮秒激光器21；电气控制柜1设于操作台4的右侧，操作台4的上侧设有xy移动平台，电气控制柜1上设有升降机构11，升降机构11连接水平设置的光路箱2的第一端，升降机构11 能够驱动光路箱2上下移动；xy移动平台上固定夹持镍片9；
59.其中，xy移动平台包括设于操作台4上的x轴方向设置的横向滑轨5，横向滑轨5上滑动连接有移动平台6，移动平台6沿横向滑轨5横向移动；移动平台 6上设有y轴设置的纵向滑轨7，纵向滑轨7上滑动连接有支撑架8，支撑架8 沿纵向滑轨7纵向移动，支撑架8上设有夹持装置10，夹持装置10用于夹持固定水平设于支撑架8上的镍片9；
60.其中，光路箱2的第二端延伸至xy移动平台的上方，光路箱2内设有由激光器21，整形光路22、光束传输光路23和激光激光切割头3组成的全固态皮秒激光器；激光激光切割头3设于光路箱2的第二端的下侧；
61.其中，整形光路22为放大倍率为5倍的扩束光路；光束传输光路23的传输距离为600mm，光束传输光路23包括相对设置的反射镜组231及改变光路传输方向的单反射镜232；具有聚焦功能的激光切3割头设于光路箱2的第二端的下侧，激光激光切割头3将沿激光聚焦后发射于下方的镍片9上；
62.电气控制柜1内设有控制器，控制器分别与全固态皮秒激光器的激光器21 和xy移动平台的控制器连接，用于控制全固态皮秒激光器的激光输出，及控制 xy移动平台按预设路径移动镍片9；
63.其中，电气控制柜1内中的控制器还与升降机构11连接，用于控制升降机构11的升降操作。升降机构11可调整激光激光切割头3距离镍片9的距离，具有调焦的作用。
64.在本发明中，升降机构11可以为气缸或者丝杠结构，或者现有技术中披露的任一种能够具有相同功能的结构。
65.切割效果照片如图3所示。
66.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法，其特征在于，包括步骤：1)将镍片工件置于操作台上，所述操作台能够驱动镍片工件沿预设路径移动；2)在操作台的一侧设有激光器，所述激光器为能够发射锁频均匀能量单脉冲的超快激光器；所述激光器的发射频率为100khz-200khz之间的一定值；所述激光器发射的单脉冲能量为50uj-100uj，所述单脉冲间能量差异≤
±
5％。3)设置激光器发射的激光依次经过整形光路、光束传输光路、激光激光激光切割头后，聚焦在操作台上的镍片工件的表面；4)通过控制激光束在镍片工件表面x、y、z轴的移动及激光束的行进速度，完成镍片工件的切割。2.根据权利要求1所述红外超快激光切割方法，其特征在于，在步骤2)中，所述激光器为全固态皮秒激光器。3.根据权利要求1所述红外超快激光切割方法，其特征在于，所述激光器的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。4.根据权利要求1所述红外超快激光切割方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述光束传输光路的传输距离为200-1000mm。5.根据权利要求1所述红外超快激光切割方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。6.根据权利要求1所述红外超快激光切割方法，其特征在于，在步骤4)中，所述单脉冲宽度为1-15ps。7.根据权利要求2所述红外超快激光切割方法，其特征在于，在步骤4)中，所述激光器发射的激光波长设置为1064
±
5nm；所述激光光斑行进速度为1-500mm/s。8.实现权利要求1所述红外超快激光切割方法的系统，其特征在于，所述系统包括操作台，光路系统和电气控制柜，所述光路系统和电气控制柜设于操作台的一侧；其中，所述操作台上设有xy移动平台，所述xy移动平台上固定夹持镍片；其中，所述电气控制柜内设有超快激光器和控制器，电气控制柜上部连通有光路系统，光路系统设于光路箱内，所述光路箱的另一端连接激光切割头，所述激光切割头设于xy移动平台的上方；所述激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路和操作台完成镍片工件的激光切割。

技术总结
本发明提供一种适用于镍片工件精密加工的红外超快激光切割方法和系统，包括步骤：1)将镍片工件置于操作台上；2)在操作台的一侧设有激光器；3)设置激光器发射的激光依次经过整形光路、光束传输光路、激光切割头后，聚焦在操作台上的镍片工件的表面；4)通过控制激光束在镍片工件表面X、Y、Z轴的移动及激光束的行进速度，完成镍片工件的切割。本发明的激光切割方法，是通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料来实现镍片工件切割，加工过程一致性好，切割的精度能够控制在0.1-10微米，切割精度更高。切割精度更高。切割精度更高。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：北京赢圣科技有限公司
技术研发日：2022.01.10
技术公布日：2023/7/21