激光掃描弧形柱面聚焦系統的研究

朱仁杰,葉 霞,姚紅兵,王旭梅,殷 菲,叢嘉偉,朱衛華,李不同

(1.江蘇大學機械工程學院,江蘇 鎮江 212001；2.河海大學理學院,江蘇 南京210098)

1 引 言

激光打孔是最早達到實用化的激光加工技術,也是激光加工的主要應用領域之一。激光打孔不與工件直接接觸且加工時間短,消除了常規機械穿孔帶來的殘渣,也不存在工具損耗,對被加工材料的氧化、變形、熱影響均較小,無需特別保護[1]。如今隨著激光打孔行業對孔成型的精度,速度以及被打孔物體表面復雜程度要求越來越高[2],傳統的激光聚焦方式存在著如速度慢,打孔應用方式單一,只能實現在平面上聚焦打孔的缺點[3-4],因此在對香煙等柱面物體表面進行打孔時,亟需一種新的激光聚焦方式來實現對柱面物體的表面進行激光打孔。

2 激光打孔的系統方案

本系統選用了波長為10.6 μm的CO2激光器為激光光源,激光器出射光首先經過柱面聚焦鏡,柱面鏡將激光光束的圓形光斑聚焦為條形光斑,經過柱面聚焦鏡的條形光斑將入射至高速旋轉反射棱鏡,經由旋轉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,經由弧形柱面聚焦鏡的條形光斑被聚焦成圓形光斑從而實現在香煙煙嘴棒等柱面物體上打孔。激光打孔系統流程圖如圖1所示。

圖1 激光打孔系統流程圖

系統主要組成部分分別是光學聚焦和由高速旋轉反射棱鏡實現的光學掃描。光學聚焦部分主要是解決激光如何在柱面等曲面上聚焦的問題,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現光斑在經過旋轉反射棱鏡時減少誤差,與此同時因反射光斑變小,故旋轉反射棱鏡尺寸將得到很好地控制,這在對旋轉反射棱鏡實施高速控制時非常重要,弧形柱面聚焦鏡是將經由前一個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現打孔。光學掃描部分是由高速旋轉反射棱鏡實現,其由多個反射面構成,并由高速伺服控制系統帶動,具有旋轉速度快,反射范圍廣,跟蹤精度高等特點,經過掃描的光束以不同角度入射至弧形柱面聚焦鏡,在聚焦鏡上形成規則的掃描像。激光打孔系統示意圖如圖2所示。

圖2 激光打孔系統示意圖

3 掃描聚焦弧面打孔系統

3.1 激光打孔原理

在用高功率密度、窄脈沖激光打孔時,假設激光束為不隨時間變化的均勻圓形面熱源,照射半無窮大物體,則在物體表面產生的溫度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為材料熱擴散率(cm2/s);K為材料熱導率(W/cm.s);a為表面光斑的半徑;t為激光脈沖的持續時間。對發散角為θ0的單模高斯光束,經過一個焦距為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,對一定材料,必須提高激光輻射功率密度,以使材料達到蒸發汽化溫度,而從(2)式可知,激光束的發散角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,材料表面迅速蒸發有利于打孔成型而不是出現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的焦距,為了滿足煙支激光打孔等對光斑大小的嚴格要求,我們選擇短焦系統,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;K為孔徑形狀及光束中強度分布形式的系數;ΔW′為束腰面內物鏡的橫向球差。根據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 掃描聚焦鏡的設計

在激光打孔的應用中,傳統的聚焦方式由于無法在諸如柱面等曲面的物體上實現聚焦,故應用范圍較窄,本文研究的曲面掃描聚焦方式創新的設計了一種曲面聚焦系統,激光光束在通過柱面聚焦鏡1時將會被聚焦為線性光斑,線性光斑通過高速旋轉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,并在經過聚焦鏡2后,線性光斑聚焦為點光斑以實現對物體打孔。

圖3 弧形柱面聚焦鏡3D示意圖

針對常用的煙支表面激光打孔的應用,我們給定了一些基本的參數,材料為ZnSe,其透光范圍0.5～15 μm,由于其采用化學氣相沉積(CVD)的合成方式故雜質吸收可以忽略不計,并且有很低的散射損失,與此同時其對激光的熱沖擊有很強的承受能力,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,光束入射至弧面時為垂直入射。我們在軟件里導入透鏡進行仿真,選用了10.6 μm波長,8 mm直徑的光斑模擬激光束,光線束為10000,輻照度126 W/m2,目標是實現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過旋轉反射鏡后掃描的示意圖,線性光斑在垂直入射后經由弧形柱面聚焦鏡聚焦并將焦點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 仿真結果分析與優化

在經過軟件優化后,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備[12-13]。

圖5 激光通過柱面聚焦鏡后的輻照度分布圖

在經過柱面聚焦鏡的聚焦的線性光斑需要經由弧形柱面聚焦鏡聚焦為點光斑并將焦點控制在被加工物體表面,針對弧形柱面聚焦鏡的仿真和優化,我們沒有采用優化柱面聚焦鏡的8 mm光斑,因為此時射入弧形柱面聚焦鏡的光斑已經為線性光斑,且呈現為掃描射入,故我們采用了寬度為8 mm的矩形光斑,其優化和仿真的結果如圖6所示。在弧長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度約為63.1 mm,弧線長度約為64.3 mm。

圖6 激光通過弧形柱面聚焦鏡后的輻照度分布圖

最后,因為在煙支激光打孔應用中多采用打雙排孔故我們將系統采取如圖2所示的雙激光入射方式進行仿真模擬,得出如圖7所示的結果,其光斑大小0.15 mm,且孔形較好,仿真結果獲得了較好的光斑效果,滿足了煙支激光打孔對孔大小要求,能應用在各種煙支激光打孔場合。

圖7 雙激光入射仿真輻照度分布圖

5 結 論

本文通過對激光打孔的聚焦方式理論分析和對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,實現了在曲面上打孔的設計要求,其經過對透鏡的優化仿真,最后在弧面上取得了很好的聚焦效果,其光斑質量良好,進一步驗證弧形掃描聚焦打孔系統的優勢以及可行性。最后對整個系統進行了聯合仿真測試,其聚焦效果達到了研究要求,為在煙草行業卷煙激光打孔系統中前沿的弧形掃描聚焦打孔的大規模應用進行了創新與驗證。