CN111975216A - 多光束激光加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束激光加工装置及方法，该装置包括：中心环形光路、至少一个辅助环形光路以及聚焦透镜；中心环形光路包括：中心环路激光发射器以及将中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的中心环路锥形镜组；每个所述辅助环形光路包括：辅助环路激光发射器、将辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的辅助环路锥形镜组、用于调整光束方向的反射镜组；其中，中心环路激光发射器用于调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整中心加工环形光束聚焦的位置；辅助环路激光发射器用于调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整辅助加工环形光束聚焦的位置。本发明解决了现有技术激光加工焦深较短的技术问题。

Description

多光束激光加工装置及方法

技术领域

本发明涉及石油机械加工领域，具体而言，涉及一种多光束激光加工装置及方法。

背景技术

在石油领域中传输管道的切割对管材切口的质量有严格的要求，切口的质量直接影响下一道工序坡口加工和管口的组对。因此切割面要求光洁度高，垂直性好。激光切割从面世以来，由于其优良的特性，受到人们的广泛关注。激光切割具有激光光斑小、能量密度高、切割速度快等优点。激光切割要获得较好的切割质量，通常会选用的激光光束为基模高斯光束。对腰斑半径为定值ω的高斯光束，激光聚焦时的焦深可用两倍瑞利长度来衡量，即约为2πω²/λ，当腰斑半径很小时，其焦深也很短，这意味激光很难加工较厚的金属，无法完成一次性切割，加工效率和加工质量随之降低。因而需要采用焦深交大的激光光束来进行加工。

为了解决上述的现有技术中的至少一个技术问题，本发明提出了一种多光束激光加工装置。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多光束激光加工装置及方法，以解决现有技术激光加工焦深较短的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种多光束激光加工装置，该装置包括：中心环形光路、至少一个辅助环形光路以及聚焦透镜；

所述中心环形光路包括：中心环路激光发射器以及将所述中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的中心环路锥形镜组，所述中心环路锥形镜组输出的环形光束入射至所述聚焦透镜，经所述聚焦透镜的聚焦产生照射在待加工物体上的中心加工环形光束；

每个所述辅助环形光路包括：辅助环路激光发射器、将所述辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的辅助环路锥形镜组、用于调整光束方向的反射镜组，所述辅助环路锥形镜组输出的环形光束入射至所述反射镜组并经所述反射镜组的反射入射至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜对所述反射镜组输出的环形光束进行聚焦产生照射在所述待加工物体上的辅助加工环形光束；

其中，所述反射镜组输出的环形光束的光轴和所述中心环路锥形镜组输出的环形光束的光轴重合；所述中心环路激光发射器用于调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整所述中心加工环形光束聚焦的位置；所述辅助环路激光发射器用于调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

进一步的，所述聚焦透镜的主光轴与所述反射镜组输出的环形光束的光轴重合。

进一步的，所述聚焦透镜用于沿着自身的主光轴移动，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

进一步的，所述中心环路锥形镜组输出的环形光束和所述辅助环路锥形镜组输出的环形光束均为平直的环形光束。

进一步的，所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点至少部分重合。

进一步的，所述光束参数包括：激光波长、脉冲宽度中的至少一个。

进一步的，所述待加工物体设置在载物台上，所述载物台用于调整所述待加工物体的位置，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点位于所述待加工物体上的位置。

进一步的，所述中心环路锥形镜组和所述辅助环路锥形镜组均包括至少一组锥形镜，所述锥形镜包括：锥形凸透镜、锥形凹透镜。

进一步的，所述反射镜组包括至少一组反射镜。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种多光束激光加工方法，该方法包括：

中心环路锥形镜组将中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束并输出至聚焦透镜，经所述聚焦透镜的聚焦产生照射在待加工物体上的中心加工环形光束；

辅助环路锥形镜组将辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束并输出至反射镜组，该环形光束经所述反射镜组的反射入射至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜对所述反射镜组输出的环形光束进行聚焦产生照射在所述待加工物体上的辅助加工环形光束；

所述中心环路激光发射器和/或所述辅助环路激光发射器分别调整自身发射的激光光束的光束参数，以使所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点至少部分重合。

进一步的，该多光束激光加工方法还包括：

所述聚焦透镜沿着所述反射镜组输出的环形光束的光轴移动，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

进一步的，该多光束激光加工方法还包括：

载物台根据加工需要调整所述待加工物体的位置，以使所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点位于所述待加工物体的不同位置。

本发明的有益效果为：本发明通过设置中心环形光路，该中心环形光路通过中心环路锥形镜组将激光光束转换成环形光束，进而将环形光束通过聚焦透镜聚焦后照射在待加工物体上实现了在不改变输入光束的条件下，增加了输出光束的焦深的有益效果。此外本发明还设置了至少一个辅助环形光路，辅助环形光路将激光光束转换成环形光束，进而将环形光束通过同一个聚焦透镜聚焦后照射在待加工物体上，辅助环形光路输出的环形光束和中心环形光路输出的环形光束进行时间和空间上的叠加，实现在空间和时间上进行激光切割质量优化，使加工效果更好，加工质量和加工效率提升。本发明的中心环路激光发射器和辅助环路激光发射器可以调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整照射在待加工物体上的中心加工环形光束和辅助加工环形光束聚焦的位置，以及调整中心加工环形光束和辅助加工环形光束在时间和空间上的叠加，使得环形光束有更多参数进行调控，实现在空间和时间上进行激光切割质量优化，以获得更好的加工效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明实施例多光束激光加工装置的第一结构示意图；

图2是本发明实施例多光束激光加工装置的第二结构示意图；

图3是本发明实施例多光束激光加工方法的第一流程示意图；

图4是本发明实施例多光束激光加工方法的第二流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

在本发明中，术语“上”、“下”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例多光束激光加工装置的第一结构示意图，如图1所示，本发明实施例的多光束激光加工装置包括：中心环形光路、辅助环形光路以及聚焦透镜4。中心环形光路用于将激光光束转换成环形光束并输入到聚焦透镜4，辅助环形光路用于将激光光束转换成环形光束并输入到聚焦透镜4，聚焦透镜4对输入的环形光束进行聚焦，分别生成照射在待加工物体5上的中心加工环形光束和辅助加工环形光束。

如图1所示，中心环形光路包括：中心环路激光发射器和将中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的中心环路锥形镜组1。在如图1所示的实施例中，中心环路锥形镜组1包括相对设置的锥形凸透镜11和锥形凸透镜12，锥形凸透镜11和锥形凸透镜12的中心轴重合，且其锥部相对设置。中心环路激光发射器发射的激光光束入射至中心环路锥形镜组1并通过该中心环路锥形镜组1转换成环形光束。在本发明实施例中，中心环形光路的中心环路锥形镜组1输出的环形光束直接照射到聚焦透镜4上。进而聚焦透镜4对该环形光束进行聚焦生成照射在待加工物体5上的中心加工环形光束。

如图1所示，辅助环形光路包括：辅助环路激光发射器、将所述辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的辅助环路锥形镜组2、以及用于调整光束方向的反射镜组3。在如图1所示的实施例中，辅助环路锥形镜组2包括相对设置的锥形凸透镜21和锥形凸透镜22，反射镜组3包括平行设置的反射镜31和反射镜32。辅助环路激光发射器发射的激光光束直接输入至辅助环路锥形镜组2，辅助环路锥形镜组2将激光光束转换成环形光束并输入到反射镜组3，通过反射镜组3的反射将环形光束输入至聚焦透镜4上。如图1所示，在本发明的实施例中，辅助环形光路的辅助环路锥形镜组2输出的环形光束无法直接照射到聚焦透镜4上，需要通过反射镜组3的反射才能照射到聚焦透镜4上。进而聚焦透镜4对该环形光束进行聚焦生成照射在待加工物体5上的辅助加工环形光束。该辅助加工环形光束和上述中心加工环形光束从相同的方向照射在待加工物体5上。

如图1所示的实施例中，反射镜组3输出的环形光束和中心环路锥形镜组1输出的环形光束照射在聚焦透镜4上的同一表面上。在本发明的优选实施例中，反射镜组3输出的环形光束和中心环路锥形镜组1输出的环形光束的光轴重合。在如图1所示的实施例中，反射镜组3中的反射镜31设置在中心环路锥形镜组1输出的环形光束内，以使反射镜31不会对中心环路锥形镜组1输出的环形光束进行遮挡。在本发明的其他实施例中，反射镜组3输出的环形光束的光轴和中心环路锥形镜组1输出的环形光束的光轴平行，即两个环形光束在横截面上呈偏心环。

在本发明实施例中，中心环路激光发射器和辅助环路激光发射器可以调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整照射在待加工物体5上的中心加工环形光束和辅助加工环形光束聚焦的位置。在本发明实施例光束参数可以包括激光波长、脉冲宽度等。在本发明实施例中，中心环路激光发射器和/或辅助环路激光发射器通过调整自身发射的激光光束的光束参数，可以实现中心加工环形光束和辅助加工环形光束的焦点部分重合、完全重合或分布在两个不同位置，以适配不同的加工目的。在本发明的可选实施例中，中心环路激光发射器和辅助环路激光发射器可以调整自身发射的激光光束的激光波长、发射时间、脉冲宽度、重复频率、激光功率等参数，以调整中心加工环形光束和辅助加工环形光束在时间和空间上的叠加。

从以上描述可以看出，本发明通过设置中心环形光路，该中心环形光路通过中心环路锥形镜组将激光光束转换成环形光束，进而将环形光束通过聚焦透镜聚焦后照射在待加工物体5上实现了在不改变输入光束的条件下，增加了输出光束的焦深的有益效果。此外本发明还设置了至少一个辅助环形光路，辅助环形光路将激光光束转换成环形光束，进而将环形光束通过同一个聚焦透镜聚焦后照射在待加工物体5上，辅助环形光路输出的环形光束和中心环形光路输出的环形光束进行时间和空间上的叠加，实现在空间和时间上进行激光切割质量优化，使加工效果更好，加工质量和加工效率提升。本发明的中心环路激光发射器和辅助环路激光发射器可以调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整照射在待加工物体5上的中心加工环形光束和辅助加工环形光束聚焦的位置，以及调整中心加工环形光束和辅助加工环形光束在时间和空间上的叠加。本发明不仅适用于双光束(一个中心加工环形光束和一个辅助加工环形光束)的多光束激光加工方法，也适用于多光束(一个中心加工环形光束和多个辅助加工环形光束)加工，其应用领域不仅适用于激光切割，也可应用于相关的激光加工领域。

在本发明中，通过锥形镜组将激光光束转换为环形光束为本领域的现有技术。在本发明的实施例中，中心环路锥形镜组1和辅助环路锥形镜组2可以为相对设置的锥形凸透镜(如图1所示的实施例)。在本发明的其他实施例中，中心环路锥形镜组1和辅助环路锥形镜组2也可以为相对设置的锥形凹透镜，或者为一个锥形凹透镜另一个为锥形凸透镜(如图2所示的实施例)。在本发明的其他实施例中，中心环路锥形镜组1和辅助环路锥形镜组2也可以采用锥形凸面镜、锥形凹面镜进行设置。

在本发明的实施例中，中心环路激光发射器和辅助环路激光发射器发射的激光光束可以为多种类型的激光光束，例如平直光束、高斯光束、环形光束等。

在本发明的实施例中，聚焦透镜4的主光轴和反射镜组3输出的环形光束以及中心环路锥形镜组1输出的环形光束的光轴重合，以使经过聚焦透镜4的聚焦产生的中心加工环形光束和辅助加工环形光束的焦点位于聚焦透镜4的主光轴上。

在本发明的实施例中，聚焦透镜4设置在待加工物体5的上方并可以沿着反射镜组3输出的环形光束和中心环路锥形镜组1输出的环形光束的光轴进行上下移动，以调整聚焦透镜4输出的中心加工环形光束和辅助加工环形光束聚焦的位置。

在本发明的优选实施例中，中心环路锥形镜组1输出的环形光束和辅助环路锥形镜组2输出的环形光束均为平直的环形光束。在本发明实施例中，平直的环形光束指的是该环形光束的发散角小于1度。平直的环形光束照射在聚焦透镜4上，通过聚焦透镜4的聚焦形成具有一定发散角的中心加工环形光束和辅助加工环形光束。

在本发明的实施例中，在进行激光切割时通常需要中心加工环形光束和辅助加工环形光束的焦点位于同一位置，以提高加工效果和加工效率。本发明中，中心环路激光发射器和/或辅助环路激光发射器可以通过调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整中心加工环形光束和辅助加工环形光束的焦深，进而实现中心加工环形光束和辅助加工环形光束的焦点重合或部分重合。

在本发明的实施例中，待加工物体5的位置可调整，以适配不同的加工方式。如图2所示，待加工物体5在位置2时为通过中心加工环形光束和辅助加工环形光束的焦点来进行激光加工，待加工物体5在位置1和3时，为中心加工环形光束和辅助加工环形光束的环形光束来进行环形加工，例如环形切割。待加工物体5可以上下移动，以调整环形光束的焦点在待加工物体5中的位置，可以用于进行待加工物体5的深度加工或内部加工等。在本发明的实施例中，待加工物体5可以设置在载物台上，进而通过载物台调整待加工物体5的位置。

从以上描述可以看出，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明通过设置中心环形光路，该中心环形光路通过中心环路锥形镜组将激光光束转换成环形光束，进而将环形光束通过聚焦透镜聚焦后照射在待加工物体5上实现了在不改变输入光束的条件下，增加了输出光束的焦深的有益效果。

2、本发明还设置了至少一个辅助环形光路，辅助环形光路将激光光束转换成环形光束，进而将环形光束通过同一个聚焦透镜聚焦后照射在待加工物体5上，辅助环形光路输出的环形光束和中心环形光路输出的环形光束进行时间和空间上的叠加，实现在空间和时间上进行激光切割质量优化，使加工效果更好，加工质量和加工效率提升。

3、本发明不仅适用于双光束(一个中心加工环形光束和一个辅助加工环形光束)的多光束激光加工方法，也适用于多光束(一个中心加工环形光束和多个辅助加工环形光束)加工，其应用领域不仅适用于激光切割，也可应用于相关的激光加工领域。

4、本发明的中心环路激光发射器和辅助环路激光发射器可以调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整照射在待加工物体5上的中心加工环形光束和辅助加工环形光束聚焦的位置，以及调整中心加工环形光束和辅助加工环形光束在时间和空间上的叠加。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种多光束激光加工方法，应用于上述实施例所描述的多光束激光加工装置，如下面的实施例所述。由于多光束激光加工方法解决问题的原理与多光束激光加工装置相似，因此多光束激光加工方法的实施例可以参见多光束激光加工装置的实施例，重复之处不再赘述。

图3是本发明实施例多光束激光加工方法的第一流程示意图，如图3所示，本发明实施例的多光束激光加工装置包括步骤S101至步骤S103。

步骤S101，中心环路锥形镜组将中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束并输出至聚焦透镜，经所述聚焦透镜的聚焦产生照射在待加工物体上的中心加工环形光束。

步骤S102，辅助环路锥形镜组将辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束并输出至反射镜组，该环形光束经所述反射镜组的反射入射至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜对所述反射镜组输出的环形光束进行聚焦产生照射在所述待加工物体上的辅助加工环形光束。

步骤S103，所述中心环路激光发射器和/或所述辅助环路激光发射器分别调整自身发射的激光光束的光束参数，以使所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点至少部分重合。

图4是本发明实施例多光束激光加工方法的第二流程示意图，如图4所示，本发明实施例多光束激光加工方法还包括步骤S201和步骤S202。

步骤S201，所述聚焦透镜沿着所述反射镜组输出的环形光束的光轴移动，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

步骤S202，载物台根据加工需要调整所述待加工物体的位置，以使所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点位于所述待加工物体的不同位置。

需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种多光束激光加工装置，其特征在于，包括：中心环形光路、至少一个辅助环形光路以及聚焦透镜；

所述中心环形光路包括：中心环路激光发射器以及将所述中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的中心环路锥形镜组，所述中心环路锥形镜组输出的环形光束入射至所述聚焦透镜，经所述聚焦透镜的聚焦产生照射在待加工物体上的中心加工环形光束；

每个所述辅助环形光路包括：辅助环路激光发射器、将所述辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束的辅助环路锥形镜组、用于调整光束方向的反射镜组，所述辅助环路锥形镜组输出的环形光束入射至所述反射镜组并经所述反射镜组的反射入射至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜对所述反射镜组输出的环形光束进行聚焦产生照射在所述待加工物体上的辅助加工环形光束；

其中，所述反射镜组输出的环形光束的光轴和所述中心环路锥形镜组输出的环形光束的光轴重合；所述中心环路激光发射器用于调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整所述中心加工环形光束聚焦的位置；所述辅助环路激光发射器用于调整自身发射的激光光束的光束参数，以调整所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

2.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述聚焦透镜的主光轴与所述反射镜组输出的环形光束的光轴重合。

3.根据权利要求1或2所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述聚焦透镜用于沿着自身的主光轴移动，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

4.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述中心环路锥形镜组输出的环形光束和所述辅助环路锥形镜组输出的环形光束均为平直的环形光束。

5.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点至少部分重合。

6.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述光束参数包括：激光波长、脉冲宽度中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述待加工物体设置在载物台上，所述载物台用于调整所述待加工物体的位置，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点位于所述待加工物体上的位置。

8.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述中心环路锥形镜组和所述辅助环路锥形镜组均包括至少一组锥形镜，所述锥形镜包括：锥形凸透镜、锥形凹透镜。

9.根据权利要求1所述的多光束激光加工装置，其特征在于，所述反射镜组包括至少一组反射镜。

10.一种多光束激光加工方法，应用于如权利要求1-9任意之一所述的多光束激光加工装置，其特征在于，包括：

中心环路锥形镜组将中心环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束并输出至聚焦透镜，经所述聚焦透镜的聚焦产生照射在待加工物体上的中心加工环形光束；

辅助环路锥形镜组将辅助环路激光发射器发射的激光光束转化成环形光束并输出至反射镜组，该环形光束经所述反射镜组的反射入射至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜对所述反射镜组输出的环形光束进行聚焦产生照射在所述待加工物体上的辅助加工环形光束；

所述中心环路激光发射器和/或所述辅助环路激光发射器分别调整自身发射的激光光束的光束参数，以使所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点至少部分重合。

11.根据权利要求10所述的多光束激光加工方法，其特征在于，还包括：

所述聚焦透镜沿着所述反射镜组输出的环形光束的光轴移动，以调整所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束聚焦的位置。

12.根据权利要求10所述的多光束激光加工方法，其特征在于，还包括：

载物台根据加工需要调整所述待加工物体的位置，以使所述中心加工环形光束和所述辅助加工环形光束的焦点位于所述待加工物体的不同位置。

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