激光掃描弧形柱面聚焦系統(tǒng)的研究

朱仁杰,葉 霞,姚紅兵,王旭梅,殷 菲,叢嘉偉,朱衛(wèi)華,李不同

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2.河海大學(xué)理學(xué)院,江蘇 南京210098)

1 引 言

激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù),也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打孔不與工件直接接觸且加工時(shí)間短,消除了常規(guī)機(jī)械穿孔帶來(lái)的殘?jiān)?也不存在工具損耗,對(duì)被加工材料的氧化、變形、熱影響均較小,無(wú)需特別保護(hù)[1]。如今隨著激光打孔行業(yè)對(duì)孔成型的精度,速度以及被打孔物體表面復(fù)雜程度要求越來(lái)越高[2],傳統(tǒng)的激光聚焦方式存在著如速度慢,打孔應(yīng)用方式單一,只能實(shí)現(xiàn)在平面上聚焦打孔的缺點(diǎn)[3-4],因此在對(duì)香煙等柱面物體表面進(jìn)行打孔時(shí),亟需一種新的激光聚焦方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)柱面物體的表面進(jìn)行激光打孔。

2 激光打孔的系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)選用了波長(zhǎng)為10.6 μm的CO2激光器為激光光源,激光器出射光首先經(jīng)過(guò)柱面聚焦鏡,柱面鏡將激光光束的圓形光斑聚焦為條形光斑,經(jīng)過(guò)柱面聚焦鏡的條形光斑將入射至高速旋轉(zhuǎn)反射棱鏡,經(jīng)由旋轉(zhuǎn)反射棱鏡不同反射面反射的激光掃描射入弧形柱面聚焦鏡中,經(jīng)由弧形柱面聚焦鏡的條形光斑被聚焦成圓形光斑從而實(shí)現(xiàn)在香煙煙嘴棒等柱面物體上打孔。激光打孔系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 激光打孔系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)主要組成部分分別是光學(xué)聚焦和由高速旋轉(zhuǎn)反射棱鏡實(shí)現(xiàn)的光學(xué)掃描。光學(xué)聚焦部分主要是解決激光如何在柱面等曲面上聚焦的問(wèn)題,其核心由柱面聚焦鏡和弧形柱面聚焦鏡組成,柱面聚焦鏡將激光的圓形光斑聚焦成條形光斑,其目的是減小光斑面積和改變光斑形狀以實(shí)現(xiàn)光斑在經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)反射棱鏡時(shí)減少誤差,與此同時(shí)因反射光斑變小,故旋轉(zhuǎn)反射棱鏡尺寸將得到很好地控制,這在對(duì)旋轉(zhuǎn)反射棱鏡實(shí)施高速控制時(shí)非常重要,弧形柱面聚焦鏡是將經(jīng)由前一個(gè)聚焦鏡壓縮后的條形光斑聚焦成圓形光斑以作用在香煙上實(shí)現(xiàn)打孔。光學(xué)掃描部分是由高速旋轉(zhuǎn)反射棱鏡實(shí)現(xiàn),其由多個(gè)反射面構(gòu)成,并由高速伺服控制系統(tǒng)帶動(dòng),具有旋轉(zhuǎn)速度快,反射范圍廣,跟蹤精度高等特點(diǎn),經(jīng)過(guò)掃描的光束以不同角度入射至弧形柱面聚焦鏡,在聚焦鏡上形成規(guī)則的掃描像。激光打孔系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 激光打孔系統(tǒng)示意圖

3 掃描聚焦弧面打孔系統(tǒng)

3.1 激光打孔原理

在用高功率密度、窄脈沖激光打孔時(shí),假設(shè)激光束為不隨時(shí)間變化的均勻圓形面熱源,照射半無(wú)窮大物體,則在物體表面產(chǎn)生的溫度T0為:

T0=2P0ε(kt)1/2/(π3/2a2K)

(1)

式中,P0為表面吸收的激光輻射功率(W);k為材料熱擴(kuò)散率(cm2/s);K為材料熱導(dǎo)率(W/cm.s);a為表面光斑的半徑;t為激光脈沖的持續(xù)時(shí)間。對(duì)發(fā)散角為θ0的單模高斯光束,經(jīng)過(guò)一個(gè)焦距為f的透鏡后,其焦斑半徑a為:

a=f?θ0

(2)

代入式(1)得:

(3)

從式(3)可以得出,對(duì)一定材料,必須提高激光輻射功率密度,以使材料達(dá)到蒸發(fā)汽化溫度,而從(2)式可知,激光束的發(fā)散角θ0及透鏡的焦距都能決定加工的孔徑[5]。故本方案采用的高功率密度短脈沖激光,激光作用于材料時(shí),材料表面迅速蒸發(fā)有利于打孔成型而不是出現(xiàn)將材料整體加熱的情況。

3.2 光斑特性

光斑的大小和位置取決于聚焦系統(tǒng)的焦距,為了滿足煙支激光打孔等對(duì)光斑大小的嚴(yán)格要求,我們選擇短焦系統(tǒng),而且充分利用激光能量弧形掃描柱透鏡和柱面聚焦鏡的孔徑均需大于光束直徑,且由于經(jīng)由光束整形后的聚焦光斑為激光的束腰,所以我們需要使用聚焦系統(tǒng)將初始的激光束腰變換為最終的激光束腰。

激光束腰的放大率公式:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,D為物鏡的孔徑;Km為模系數(shù);K為孔徑形狀及光束中強(qiáng)度分布形式的系數(shù);ΔW′為束腰面內(nèi)物鏡的橫向球差。根據(jù)上面這些公式理論我們可以確定光斑大小和掃描聚焦系統(tǒng)的外形尺寸以滿足煙支激光打孔需求。

3.2 掃描聚焦鏡的設(shè)計(jì)

在激光打孔的應(yīng)用中,傳統(tǒng)的聚焦方式由于無(wú)法在諸如柱面等曲面的物體上實(shí)現(xiàn)聚焦,故應(yīng)用范圍較窄,本文研究的曲面掃描聚焦方式創(chuàng)新的設(shè)計(jì)了一種曲面聚焦系統(tǒng),激光光束在通過(guò)柱面聚焦鏡1時(shí)將會(huì)被聚焦為線性光斑,線性光斑通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)棱鏡和兩塊反射鏡后垂直于弧形柱面聚焦鏡2射入[7],如圖3所示,并在經(jīng)過(guò)聚焦鏡2后,線性光斑聚焦為點(diǎn)光斑以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體打孔。

圖3 弧形柱面聚焦鏡3D示意圖

針對(duì)常用的煙支表面激光打孔的應(yīng)用,我們給定了一些基本的參數(shù),材料為ZnSe,其透光范圍0.5～15 μm,由于其采用化學(xué)氣相沉積(CVD)的合成方式故雜質(zhì)吸收可以忽略不計(jì),并且有很低的散射損失,與此同時(shí)其對(duì)激光的熱沖擊有很強(qiáng)的承受能力,故我們采用了其作為透鏡材料[8]?；⌒沃婢劢圭R與被打孔弧面的距離為50 mm,在XZ平面內(nèi),光束入射至弧面時(shí)為垂直入射。我們?cè)谲浖飳?dǎo)入透鏡進(jìn)行仿真,選用了10.6 μm波長(zhǎng),8 mm直徑的光斑模擬激光束,光線束為10000,輻照度126 W/m2,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在柱狀物體弧形表面打出直徑約為0.15 mm的雙排孔。

如圖4所示,從上直下的光束為激光在經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡后掃描的示意圖,線性光斑在垂直入射后經(jīng)由弧形柱面聚焦鏡聚焦并將焦點(diǎn)控制在被加工物體表面[9-11]。

圖4 弧形柱面聚焦鏡XY平面示意圖

4 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

在經(jīng)過(guò)軟件優(yōu)化后,柱面聚焦鏡將激光聚焦為0.15 mm寬度的線性光斑,如圖5所示,可以看見(jiàn)其聚焦線性度良好,光斑分布均勻,這為了下一步的工作做好了準(zhǔn)備[12-13]。

圖5 激光通過(guò)柱面聚焦鏡后的輻照度分布圖

在經(jīng)過(guò)柱面聚焦鏡的聚焦的線性光斑需要經(jīng)由弧形柱面聚焦鏡聚焦為點(diǎn)光斑并將焦點(diǎn)控制在被加工物體表面,針對(duì)弧形柱面聚焦鏡的仿真和優(yōu)化,我們沒(méi)有采用優(yōu)化柱面聚焦鏡的8 mm光斑,因?yàn)榇藭r(shí)射入弧形柱面聚焦鏡的光斑已經(jīng)為線性光斑,且呈現(xiàn)為掃描射入,故我們采用了寬度為8 mm的矩形光斑,其優(yōu)化和仿真的結(jié)果如圖6所示。在弧長(zhǎng)121.304 mm的曲面上聚焦,其中柱面直徑為φ191.6 mm,整形后光束線線直線長(zhǎng)度約為63.1 mm,弧線長(zhǎng)度約為64.3 mm。

圖6 激光通過(guò)弧形柱面聚焦鏡后的輻照度分布圖

最后,因?yàn)樵跓熤Ъす獯蚩讘?yīng)用中多采用打雙排孔故我們將系統(tǒng)采取如圖2所示的雙激光入射方式進(jìn)行仿真模擬,得出如圖7所示的結(jié)果,其光斑大小0.15 mm,且孔形較好,仿真結(jié)果獲得了較好的光斑效果,滿足了煙支激光打孔對(duì)孔大小要求,能應(yīng)用在各種煙支激光打孔場(chǎng)合。

圖7 雙激光入射仿真輻照度分布圖

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)激光打孔的聚焦方式理論分析和對(duì)在曲面打孔的可行性研究,提出了采用柱面聚焦鏡和弧形柱面聚焦鏡兩種透鏡組合式聚焦壓縮光斑,實(shí)現(xiàn)了在曲面上打孔的設(shè)計(jì)要求,其經(jīng)過(guò)對(duì)透鏡的優(yōu)化仿真,最后在弧面上取得了很好的聚焦效果,其光斑質(zhì)量良好,進(jìn)一步驗(yàn)證弧形掃描聚焦打孔系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及可行性。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真測(cè)試,其聚焦效果達(dá)到了研究要求,為在煙草行業(yè)卷煙激光打孔系統(tǒng)中前沿的弧形掃描聚焦打孔的大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)行了創(chuàng)新與驗(yàn)證。