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检流计扫描加快激光加工

放大字体  缩小字体 发布日期:2011-12-20 浏览次数:58

        在过去的二十年中,激光加工系统得到了无数工业应用领域的青睐,如,焊接,切割,刻线,雕版,钻孔,以及打标。检流计扫描系统常被用于使激光光斑在工件上快速而准确的定位。这种系统利用一对可旋转的镜子来实现二维可控的激光光束偏转。激光光束可被精确的定位,通过以一定的速度往复移动光束从而获得规定的图案。扫描头上的控制器单一的决定了激光光斑所走的轮廓。

        与传统方案相比,激光的材料加工由于使用了扫描系统带来了许多的优势:高水平的动力学性能以及加工速度;消除了机械工具磨损;非接触加工;小且精确限定的热影响区域;特有的柔性,无须再加工。

        应用

        激光打标是检流计扫描系统的一个关键应用。用激光标志的文字有永久性特点,此外,可读性很好,且不需要耗材的使用。这项应用对于食品包装上的有效期代码或者是ATM卡和身份证上的文字都是很理想的选择。

        扫描系统在其他许多领域也得到了应用,如高精度的材料加工领域,电子工业(硅加工,印刷电路版钻孔),医疗技术领域(激光眼科手术,相干眼底断层扫描仪),快速制造业(激光快速成型技术,激光烧结/熔融),以及用千瓦级功率的激光进行切割或者焊接。

        由于对激光功率,精确度和加工速度的不同要求,市场上有大量的扫描系统配置。图1给出了不同应用的概况,它们的要求,以及合适的扫描头。

图1.根据不同的要求和应用的需要,有各种配置的
扫描头可以供选择。

        配置

        如果不考虑应用的话,激光的材料加工系统从本质上来说依赖以下组件:激光光源,光束整形,光束定位,和控制器。此外还需要使用附加的特定用途的组件,如操作系统,图象处理,或者进程控制设备。图2给出了基本的扫描头系统装置,图3给出了不同的聚焦镜组件的具体描述。

图2:带有扫描头的激光器。聚焦通过F-Theta平场
镜头实现;varioCSCAN部件使焦点能沿Z轴定位。

        对于聚焦,典型的是使用专门的平场镜片,即,F-Theta镜头,安装在扫描头的光束出射处。这个镜头聚焦经过准直后的激光而不受限于偏转镜的位置,且聚焦后总是在一个平面内。这种F-Theta镜头有许多不同的波长以及焦距可供选择。所得到的象场边长通常是镜头焦距的50%-70%。被用于材料微加工的远心F-Theta镜头将激光束垂直的聚焦在象场,边长典型值为50mm。

图3:激光光束通过扫描系统聚焦(左起):预聚焦透镜,
F-Theta镜头,动态预聚焦,以及动态预聚焦与F-Theta镜头组合。

        焦斑的直径由镜头的焦距 f,可处理的表面面积,以及激光类型和扫描头的孔径等因素决定。对高斯分布的光束来说,其焦斑直径s,可以通过以下公式计算:

s = λf M2 k / d

        这里,λ是激光波长,M2表征光束质量,d是经过聚焦光学系统前的光束直径。参数k表征激光光束由于孔径或者是在镜头内时产生的衍射效应。为了使焦点处的功率密度达到最大,即,提高加工速度,光束宽度必须扩展至与扫描头孔径相等。这种情况下,k = 1.83。

        在一些应用中,快速移动的透镜系统被置于扫描器前端,用来调节焦距以符合偏转镜和激光在工件上的目标点之间的距离。这种varioSCAN可变扫描光学装置在没有合适的F-Theta镜头可用时尤其有用,例如在光束直径长或者象场较大时,在高的激光功率或者激光波长特别时就可以使用。此外,这些 varioSCAN可变扫描光学部件在扫描范围内可实现三维加工,它们可以被单独使用,或者与F-Theta镜头一起使用。

图4:友好的图形用户界面(GUI)软件(美国Alase Technologies公司和LaserWare公司)
提供了用户和扫描设备控制器之间的接口界面。

        带有存储器的DSP控制面板,其功能是作为应用软件,扫描头和激光器之间的硬件接口界面。这些面板使激光控制和扫描器移动以及图象修正的完成之间实现同步,以确保文字被精确的定位而不会出现枕形失真并且也同时确保标记过程速度恒定。

        对材料的微加工来说,可以使用动力学特性很精密的专门扫描头,快速冷却电机以及/或者电子设备来实现长期漂移的最小化。对孔径为14mm的扫描头可以配备附加的高精度位置检测器用来自动校准。

图5:用来满足应用中高要求的全数字式intelliSCAN 10。

        技术创新

        新材料,新的激光光源的出现以及生产工艺的进步都将带来用于材料加工的扫描系统的有力发展。

        其进一步的优势在于能够通过软件来监控扫描系统的状态参数,这就为远程诊断和客户支持等领域的使用提供了新的可能。扫描器的位置和速度的参数可以被数字化查询,并在以后的加工过程使用。

(编辑:曾聪)

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