CN105772955A - 一种通过液体散射改善通孔锥度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种通过液体散射改善通孔锥度的装置，包括激光发生器，还包括反射装置和反射调节机构，所述激光发生器相对固定地设置在工件的一侧，所述反射装置和反射调节机构设置在所述工件的另一侧；所述反射装置包括盛放液体的空腔，所述液体的液面即是用来反射激光束的反射平面；所述激光发生器在所述工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过所述通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁；通过所述反射调节机构调节所述反射装置，在所述反射平面上产生不同波幅的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。

Description

一种通过液体散射改善通孔锥度的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种通过液体散射改善通孔锥度的装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是一种以激光束为热源，采用热去除方法对材料进行分离的技术。在激光打孔的过程中，高功率的脉冲激光聚焦在工件表面，材料被迅速加热到熔化及汽化的温度，随后在材料气体急聚膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力的共同作用下，工件上熔融状态的液体被挤出孔外，并在后续脉冲激光作用下持续上述过程，材料不断去除，直至形成通孔。

激光打孔技术与其他打孔技术相比，具有诸多优势，例如，激光打孔技术是无接触加工技术，加工工具与被加工工件之间不发生摩擦，避免因摩擦带来加工工具的损耗，也不会因为加工材料较硬导致钻头折断。其次，与其他无接触的打孔技术（如电子束打孔技术、电火花腐蚀打孔技术、超声波打孔技术等）相比，激光打孔技术可以加工出孔径更小的孔（孔的直径能达到10~250μm），且加工效率高。因此，激光打孔技术广泛应用于加工金属材料、陶瓷材料以及高分子材料等领域，很好地满足了汽车工业、半导体工业、制表业以及医疗装置制造业等行业对某些关键零部件精密加工的要求。

在使用激光打孔技术加工上述关键零部件的通孔时，锥度是衡量孔的重要质量指标，锥度越大说明所加工的孔的质量越差。但是，利用现有的脉冲激光打孔技术加工得到的通孔往往存在较大的锥度，而这较大锥度产生的原因主要有以下三种：

1、加工开始时，激光束的焦点在工件表面上，随着加工平面由工件表面向下延伸，加工表面产生的热量逐渐降低，并且由于高压辅助气体在深孔中压力损耗过大，导致孔底的熔融材料无法排出，使得底部孔径逐渐变小，最终形成锥孔；

2、激光脉冲的光强在空间上位高斯分布，激光束中间能量高而四周能量低，导致通孔轴心线上的材料容易去除而四周的材料较难去除，形成锥孔；

3、被加工的材料在激光的辐照下气化，生成蒸汽，高温蒸汽中的热电子致使其他中性粒子电离，形成光致等离子体，对激光有吸收作用。随着激光打孔过程的持续进行，等离子体不断增加，对激光功率的削减作用越来越大，使得孔底材料获得的能量减小，所形成的孔径随着孔深度的增加而变小，最终形成锥孔。由以上分析可知，采用传统的激光加工方法所加工的孔不可避免地存在较大的难度。

针对上述情况，中国发明专利CN201310172352提出了一种在打孔的激光束中加入纳米级粒子流的方法，通过纳米粒子流对所加工的微孔进行抛光，以改善所成孔的锥度。但是，精确的控制纳米级粒子流进入到微孔中在实际操作时存在较大的难度，尤其是当孔径仅为微米级时，由于表面张力太大，流体甚至很难进入到微孔之中。另一中国发明专利CN201410050557提出一种利用电磁场提高激光束性能的方法来改善激光打孔锥度的方法，但存在装置复杂，且需要高能量的磁场才足以消除锥度的缺点。再一中国专利CN201310476632提出一种通过在工件的上侧和下侧分别施加高能脉冲激光进行打孔的方法。在打孔过程中，必须通过两个高精度运动平台使得两个激光头和所需打孔位置三者精确地保持在同一直线上，对上下两个激光器的同轴度、运动平台的精度等存在极高的要求。

综上所述，现有的激光加工方法所加工出的孔不可避免地存在锥度，而现有的方法在一定程度上可以改进孔的锥度，但是仍存在装置复杂、操作困难等缺点，亟需发明新的改善激光加工中孔锥度的方法。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种通过液体散射改善通孔锥度的装置及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种通过液体散射改善通孔锥度的装置，包括激光发生器；还包括反射装置和反射调节机构，所述激光发生器相对固定地设置在工件的一侧，所述反射装置和反射调节机构设置在所述工件的另一侧；

所述反射装置包括盛放液体的空腔，所述液体的液面即是用来反射激光束的反射平面；所述反射调节结构与所述反射装置连接，用以在所述液面上产生不同波幅的波纹；

所述激光发生器在所述工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过所述通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁；

以调节所述反射平面的方向的方式，并通过所述反射调节机构调节所述反射装置，在所述反射平面上产生不同波幅且不断传播的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。

优选的，所述反射调节机构为频率可调的振动源。

优选的，所述振动源包括超声发生装置和超声驱动装置，所述超声发生装置和超声驱动装置电连接，所述超声发生装置与发射装置连接，使空腔里反射平面的表面形成结构性波纹。

优选的，所述反射平面的面积为所述通孔的最小截面直径的10~15倍。

优选的，所述工件通过夹具固定在所述激光发生器的一侧。

一种通过液体散射改善通孔锥度的方法；其包括以下步骤：

1）将工件装夹到夹具上，并调整夹具将工件上待加工通孔的目标位置调节到激光发生器的正下方；

2）开启激光发生器，使其发出的高能脉冲激光束聚焦到通孔的目标位置上，开始在工件上打孔；经过数个或几十个脉冲后，打出带锥度的通孔；

3）激光发生器继续维持开启的状态，其穿过通孔的入射激光束打到反射装置的反射平面上，并经反射平面将入射激光束反射，使得反射激光束落到通孔的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化消除或升华消除；

4）通过所述反射调节机构调节所述反射装置，在所述反射平面上产生不同波幅的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除，得到内径一致的通孔。

优选的，完成加工一个通孔的加工后，夹具带动工件移动到下一个通孔的目标位置，重复所述步骤1~4，直至完成该工件所需数量的通孔的加工。

优选的，步骤4）中，所述反射激光束从下往上运动，依次消除所述通孔内的锥度。

本发明的有益效果：通过反射调节结构使得反射装置的空腔中的液体在表面形成特定的结构性波纹，通过液面将一定强度的激光束反射回所加工的通孔的孔周和内壁，并通过所述反射调节机构调节所述反射装置，在所述反射平面上产生不同波幅的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除，来改善所加工的孔的锥度。在一次加工过程中完成通孔和改善锥度两个操作，克服了现有方法中采用上下两个激光头对准加工时需要极高运动精度要求的问题，并显著地降低了成本；仅仅采用同一个激光发生器对目标工件进行加工和改善锥度，避免引入磁场等其他能场导致装置复杂、成本过高、控制困难的缺点；该方法使用带特定波纹的液面作为发射装置，可增加激光的散射，避免激光直接反射回激光发生器导致激光发生器损坏。该方法装置简单，控制方便，适用于所有材料加工和微电子器件加工等领域，有较大的推广空间。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2（a)~(d）是激光束作用到不同位置的反射装置后的反射路径图；

图3（a）是本发明中带有锥度的通孔的结构示意图；

图3（b）是本发明中加工完成后的通孔的结构示意图。

其中：激光发生器1，入射激光束11，反射激光束12；反射装置2，反射平面20，空腔21；

反射调节机构3，超声发生装置31，超声驱动装置32；

工件4，通孔5，夹具6。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种通过液体散射改善通孔锥度的装置，包括激光发生器1；还包括反射装置2和反射调节机构3，所述激光发生器1相对固定地设置在工件4的一侧，所述反射装置2和反射调节机构3设置在所述工件4的另一侧；

所述反射装置2包括盛放液体的空腔21，所述液体的液面即是用来反射激光束的反射平面20；所述反射调节结构3与所述反射装置2连接，用以在所述液面上产生不同波幅的波纹；

所述激光发生器1在所述工件4上加工出带有锥度的通孔5后，其激光束穿过所述通孔5后落到所述反射装置2的反射平面20上，经所述反射平面20反射后落到所述通孔5的孔周和内壁；

以调节所述反射平面20的方向的方式，并通过所述反射调节机构3调节所述反射装置2，在所述反射平面20上产生不同波幅且不断传播的波纹，使得经过这样的所述反射平面20反射的激光束落到所述通孔5的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔5内的锥度逐步消除。

根据光学反射定理，入射激光束11与反射平面20上各处波纹的表面法线的夹角，为反射激光束12与反射平面20上各处波纹的表面法线的夹角。反射调节机构3不断调节反射装置2，在所述反射平面20上产生不同波幅的波纹，且由于波纹的不断传播，在正对所述通孔5的反射平面20上会有不同的波峰波谷交替经过，入射激光束11落到持续运动中的波峰波谷不同的高度位置上发生反射，使得反射激光束12在通孔5内壁的落点逐渐升高，且在升高的过程中利用自身的热量逐渐对通孔5内的锥度进行消除到与通孔5上部分的孔径一致，得到整个孔径上下都一致的通孔，结构简单，操作方便。

如图1所示，通过反射调节结构3使得反射装置2的空腔21中的液体在表面形成特定的结构性波纹，通过液面将一定强度的激光束反射回所加工的通孔5的孔周和内壁，并通过所述反射调节机构3调节所述反射装置2，在所述反射平面20上产生不同波幅的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔5的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔5内的锥度逐步消除，来改善所加工的孔的锥度。在一次加工过程中完成通孔和改善锥度两个操作，克服了现有方法中采用上下两个激光头对准加工时需要极高运动精度要求的问题，并显著地降低了成本；仅仅采用同一个激光发生器1对目标工件进行加工和改善锥度，避免引入磁场等其他能场导致装置复杂、成本过高、控制困难的缺点；该方法使用带特定波纹的液面作为发射装置，可增加激光的散射，避免激光直接反射回激光发生器1导致激光发生器1损坏。该方法装置简单，控制方便，适用于所有材料加工和微电子器件加工等领域，有较大的推广空间。

所述反射调节机构3为频率可调的振动源。

通过振动源的频率变化在反射平面20上形成不同波幅的波纹，振动源的频率是可量化控制的，其振动波在已知密度的特点溶液中所产生的波纹振幅也是可以量化测得的，即实现了波幅的可控，通过波纹的不断传播，入射激光束11落到持续运动的，且波幅大小可调节的波纹的不同高度位置上发生反射，以对通孔5内锥度的一定程度上的可控消除，提高加工效率。

所述振动源包括超声发生装置31和超声驱动装置32，所述超声发生装置31和超声驱动装置32电连接，所述超声发生装置31与发射装置2连接，使空腔21里反射平面20的表面形成结构性波纹。

给所述超声驱动装置31通电，驱动所述超声发生装置31，使空腔21里反射平面20的表面形成结构性波纹。

所述反射平面20的面积为所述通孔5的最小截面直径的10~15倍。

量化限定反射平面20面积，确保所有的激光束都能发射到通孔5内或者工件4的背面，在激光束的能量较大时，通过这样面积大小的反射平面20实现其的多次反射后实现能量的分散，防止具有一定能量的激光束对工件4或反射调节机构3造成损坏，延长设备的使用寿命。

所述工件4通过夹具6固定在所述激光发生器1的一侧。完成加工一个通孔的加工后，夹具6带动工件4移动，使得激光发生器1对准工件4上下一个通孔的目标位置，再继续完成加工，保证工件4稳定性的同时，提高加工效率。

一种通过液体散射改善通孔锥度的方法；其包括以下步骤：

1）将工件4装夹到夹具6上，并调整夹具6将工件4上待加工通孔的目标位置调节到激光发生器1的正下方,如图2（a）所示；

2）开启激光发生器1，使其发出的高能脉冲激光束聚焦到通孔5的目标位置上，激光发生器1聚焦的焦距取决于激光发生器1到工件4表面的距离，聚焦完成后开始在工件4上打孔；经过数个或几十个脉冲后，打出带锥度的通孔5，如图3（a）所示，所述的脉冲个数取决于工件4的材料、目标通孔的孔径大小和激光发生器1的功率实际决定；

3）激光发生器1继续维持开启的状态，其穿过通孔5的入射激光束11打到反射装置2的反射平面20上，并经反射平面20将入射激光束11反射，使得反射激光束12落到通孔5的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化消除或升华消除，如图2（b）和图2（c）所示；

4）通过所述反射调节机构3调节所述反射装置2，在所述反射平面20上产生不同波幅的波纹，使得经过这样的所述反射平面20反射的激光束落到所述通孔5的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔5内的锥度逐步消除，得到内径一致的通孔，如图2（d）所示和图3（b）所示。

完成加工一个通孔的加工后，夹具6带动工件4移动到下一个通孔的目标位置，重复所述步骤1~4，直至完成该工件4所需数量的通孔的加工。

步骤4）中，所述反射激光束12从下往上运动，依次消除所述通孔5内的锥度

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种通过液体散射改善通孔锥度的装置，包括激光发生器，其特征在于：还包括反射装置和反射调节机构，所述激光发生器设置在工件的一侧，所述反射装置和反射调节机构设置在所述工件的另一侧；

所述反射装置包括盛放液体的空腔，所述液体的液面即是用来反射激光束的反射平面；所述反射调节结构与所述反射装置连接，用以在所述液面上产生不同波幅的波纹；

所述激光发生器在所述工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过所述通孔后落到所述反射装置的反射平面上，经所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和内壁；

以调节所述反射平面的方向的方式，并通过所述反射调节机构调节所述反射装置，在所述反射平面上产生不同波幅且不断传播的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。

2.根据权利要求1所述的通过液体散射改善通孔锥度的装置，其特征在于：所述反射调节机构为频率可调的振动源。

3.根据权利要求2所述的通过液体散射改善通孔锥度的装置，其特征在于：所述振动源包括超声发生装置和超声驱动装置，所述超声发生装置和超声驱动装置电连接，所述超声发生装置与发射装置连接，使空腔里反射平面的表面形成结构性波纹。

4.根据权利要求1所述的通过液体散射改善通孔锥度的装置，其特征在于：所述反射平面的面积为所述通孔的最小截面直径的10~15倍。

5.根据权利要求1所述的通过液体散射改善通孔锥度的装置，其特征在于：所述工件通过夹具固定在所述激光发生器的一侧。

6.一种通过液体散射改善通孔锥度的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1）将工件装夹到夹具上，并调整夹具将工件上待加工通孔的目标位置调节到激光发生器的正下方；

2）开启激光发生器，使其发出的高能脉冲激光束聚焦到通孔的目标位置上，开始在工件上打孔；经过数个或几十个脉冲后，打出带锥度的通孔；

3）激光发生器继续维持开启的状态，其穿过通孔的入射激光束打到反射装置的反射平面上，并经反射平面将入射激光束反射，使得反射激光束落到通孔的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化消除或升华消除；

4）通过所述反射调节机构调节所述反射装置，在所述反射平面上产生不同波幅的波纹，使得经过这样的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除，得到内径一致的通孔。

7.根据权利要求6所述的通过液体散射改善通孔锥度的方法，其特征在于：完成加工一个通孔的加工后，夹具带动工件移动到下一个通孔的目标位置，重复所述步骤1~4，直至完成该工件所需数量的通孔的加工。

8.根据权利要求6所述的通过液体散射改善通孔锥度的方法，其特征在于：步骤4）中，所述反射激光束从下往上运动，依次消除所述通孔内的锥度。