CN106166648A - 一种激光钻孔加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光钻孔加工方法，用于加工出深度为H，锥度为θ的孔；包括以下步骤，1)调节激光焦点，使激光焦点聚焦于所述待加工材料的表面；2)使用激光在待加工材料上加工出一个凹槽，凹槽的形状尺寸为孔的入口形状尺寸；3)重复步骤31)和步骤32)，直至多级凹槽形成的孔的深度达到H：31)调节激光焦点下移，使激光焦点聚焦于已加工形成的凹槽的底部所在的平面；32)使用激光加工出一个凹槽，所述凹槽的深度为h_i，凹槽的形状为孔的入口形状，尺寸使得当前凹槽相对于上一级凹槽形成宽度为d_i/2的台阶；其中，i表示当前为第i次重复加工，d_i＝2h_i/tanθ，h_i和d_i均在微米量级。本发明的激光钻孔加工方法，可加工出任意锥度值的孔，适用性更广。

Description

一种激光钻孔加工方法

【技术领域】

本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种激光钻孔加工方法。

【背景技术】

激光钻孔相对于传统的各项钻孔技术如机械钻孔及电火花钻孔有着无可比拟的优势，其加工孔径极限值小、孔切面整齐、热影响区小、无微裂纹和冶金缺陷、加工速度快，效率高，对材料无选择性，因此在汽车、微电子、航天航空、生物医学、太阳能及燃料电池新能源等高新技术产业领域有着广泛的应用。在不同领域中对孔径大小、孔的入口形状、通孔/盲孔、钻孔质量等有着不同的要求，如在汽车领域中，发动机喷油嘴有着非常精密的要求，喷油嘴的加工质量直接影响喷油嘴的雾化特性，最终影响柴油机的动力特性，其形状一般为上端面孔径小，下端面孔径大的倒锥形孔。在电子制造领域HDI线路板制造中，需要钻各类微型通孔及盲孔，要求孔壁垂直度高。

在激光钻孔技术上通常采用振镜扫描钻孔方式，激光聚焦于材料表面，通过激光热效应在材料上加工出孔。由于激光经过振镜入射到材料不同位置后并非垂直入射，因此钻孔后的孔型呈现入口直径大、出口直径小的锥形形状。但由于加工形成的孔的参数与聚焦镜(平场镜)的焦距、工作距离、振镜工作范围、钻孔位置以及加工幅面中心位置距离、材料特性等参数相关，因此其锥度往往不受控。由于该问题的存在，传统钻孔方法在一些应用情形下受到极大的限制，如需要在指定材料、指定厚度钻指定锥度的孔时，这种钻孔加工方法就无能为力。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种激光钻孔加工方法，可加工出任意锥度值的孔，适用性更广。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种激光钻孔加工方法，用于在一定厚度的待加工材料上加工出深度为H，锥度为θ的孔；包括以下步骤，1)调节激光焦点，使激光焦点聚焦于所述待加工材料的表面；2)使用激光在待加工材料上加工出一个凹槽，凹槽的形状尺寸为孔的入口形状尺寸；3)重复步骤31)和步骤32)，直至多级凹槽形成的孔的深度达到H：31)调节激光焦点下移，使激光焦点聚焦于已加工形成的凹槽的底部所在的平面；32)使用激光加工出一个凹槽，所述凹槽的深度为h_i，凹槽的形状为孔的入口形状，尺寸使得当前凹槽相对于上一级凹槽形成宽度为d_i/2的台阶；其中，i表示当前为第i次重复加工，d_i＝2h_i/tanθ，h_i和d_i均在微米量级。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的激光钻孔加工方法，通过调节激光焦点，在待加工材料上分多次加工出具有一定深度的凹槽，且各级凹槽在宽度上逐渐变窄，形成台阶。这样，由多个凹槽形成加工孔，孔的侧壁在微观上呈现台阶形状，同时由于h及d极小，均在微米量级，所以从宏观上观察为光滑且连续的孔壁。虽然激光加工系统中聚焦镜、振镜等的参数是固定的，但通过改变加工路径，分层加工，以及控制加工形成的凹槽的深度以及台阶的宽度，可实现加工出的孔为任意锥度值，满足需加工指定锥度值的孔的应用。本发明的激光钻孔加工方法，在不增加任何光学器件及对系统做器件上的调整的情况下实现任意锥度孔的加工，适用于各类孔及微孔的加工要求，且成本较低。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的待加工材料在加工过程中的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的待加工材料在加工过程中的局部区域放大示意图；

图3是本发明具体实施方式的加工方法加工出圆形入口形状的孔的俯视示意图；

图4是本发明具体实施方式的加工方法加工出方形入口形状的孔的俯视示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的构思是改变激光切割加工的扫描过程，传统的加工方法中，只能完成将孔钻出，但是孔的锥度参数受到激光加工切割系统的各器件参数不同程度的影响，使得加工出的孔的锥度完全不受控制。当材料特性不同，激光入射角度不同，厚度不同造成离焦量不同，造成了孔的锥度不确定且不可控，具体表现为：在同一材料不同位置的孔锥度不同，不同厚度的同一种材料的孔锥度不同，相同厚度的不同材料锥度也不同，同一材料在不同参数的聚焦镜及扩束镜加工时孔的锥度也不同。现有的方案中，如需钻出确定锥度值的孔，则需要复杂的光路调控系统以及昂贵的镜片，但这种方式成本较高，操作也较复杂。而本发明则不变动传统激光加工切割系统中各器件的配置，而是通过改变加工切割路径，按分层加工切割，每一层加工出凹槽，然后多层凹槽形成孔。通过控制凹槽的深度以及尺寸宽度，从而得到任意所需的锥度值的孔。

本具体实施方式的激光钻孔加工方法用于在一定厚度的待加工材料上加工出特定锥度值的孔，如图1所示，在加工材料上分层加工操作，形成深度为H，锥度为θ的孔。加工方法包括以下步骤：

1)调节激光焦点，使激光焦点聚焦于待加工材料的表面。

如图1所示，先聚焦于加工材料的表面，也即D所示意的直线的水平面。

2)使用激光在待加工材料上加工出一个凹槽，凹槽的形状尺寸为孔的入口形状尺寸。

该步骤中，先在加工材料上加工出一个凹槽，如图1中h₀所在深度范围的凹槽。凹槽的形状加工成孔的入口形状，例如要求加工的孔的入口形状为圆形，则此处凹槽的形状也为圆形。凹槽的尺寸加工成孔的入口尺寸大小。也因此，孔的入口形状可为任意形状，尺寸也可为任意尺寸大小，相应地将此处凹槽的形状、尺寸设置为孔的入口形状、尺寸即可。

3)重复步骤31)和步骤32)，直至多级凹槽形成的孔的深度达到H：

31)调节激光焦点下移，使激光焦点聚焦于已加工形成的凹槽的底部所在的平面；

32)使用激光加工出一个凹槽，所述凹槽的深度为h_i，凹槽的形状为孔的入口形状，尺寸使得当前凹槽相对于上一级凹槽形成宽度为d_i/2的台阶；其中，i表示当前为第i次重复加工，d_i＝2h_i/tanθ，h_i和d_i均在微米量级。

该步骤3)即分层加工的多次重复加工过程。如图1所示，步骤1)和2)加工时激光的焦点位于D所示意的直线所在的平面。第一次按照步骤31)和32)加工时，通过控制激光加工系统中机械平台垂直方向的升降轴将激光焦点下移h₀，使焦点聚焦于已形成的凹槽的底部所在的平面，图中D1所示意的虚线所在的平面，也即加工去除h₀所在深度范围凹槽后材料加工表面，开始该层凹槽的剥离加工。加工过程中，控制加工凹槽的深度为h₁，同时，缩小切割路径使加工凹槽的尺寸大小减小，相对于上一级凹槽形成宽度为d₁/2的台阶。从图1中所示，也即D-D₁＝d₁。当加工入口形状为圆形的孔时，此处的D和D₁即为各层凹槽的直径。当加工入口形状为方形时的孔时，此处的D和D₁即为各层凹槽的边长。当加工入口形状为不规则形状时的孔时，此处的D和D₁即为各层凹槽在相应截面上的宽度值。上述加工过程中，h₁和d₁的大小满足d₁＝2h₁/tanθ，且h₁和d₁均在微米量级。

第一次实施步骤31)和32)加工完毕后，重复以上过程，进行第二次重复加工，将焦点下降h₁到材料加工表面，图中D2所示意的虚线所在的平面，调整加工路径，切割路径的加工尺寸相对上一级凹槽减小，使相对于上一级凹槽形成宽度为d₂/2的台阶，切割加工形成的凹槽的深度为h₂。同样地，凹槽的形状为开口形状。上述加工过程中，h₂和d₂的大小满足d₂＝2h₂/tanθ，且h₂和d₂均在微米量级。加工完成后，重复上述过程，进行第三次重复加工。如此重复，进行第i次重复加工时，加工出的凹槽的深度为h_i，凹槽的形状为孔的入口形状，尺寸使得当前凹槽相对于上一级凹槽形成宽度为d_i/2的台阶；其中，i表示当前为第i次重复加工，d_i＝2h_i/tanθ，h_i和d_i均在微米量级。直至多次重复加工后，形成的所有凹槽(多次重复加工得到的凹槽以及步骤2中形成的凹槽)构成的孔的深度达到H，完成加工目标为止。

如图2所示，为加工过程中的部分区域的放大示意图。加工时，控制加工路径以及加工形成的凹槽的深度以及台阶的宽度，例如第一次重复加工时控制h₁/(d₁/2)＝tanθ，第二次重复加工时控制h₂/(d₂/2)＝tanθ，类似地，第i次重复加工时控制h_i/(d_i/2)＝tanθ，因此通过控制参数hi和di的数值满足上述关系就可以得到确定锥度值为θ的孔。优选地，各次重复加工时，步骤31)中加工的凹槽的深度h_i为一固定值h。这样，可方便调节激光加工系统中机械平台每一次的垂直位移。优选地，可设置h的值与步骤2)中加工出凹槽的深度的值相同。优选的，h的值为10～60微米。将凹槽每次的深度值设置在10～60微米的范围，一方面控制在10微米以上，不至于太小，不会导致操作控制的不便，同时也不会因为单次加工深度太小导致整体加工时间太长。另一方面，控制在60微米以内时，经多次测试总结，可使孔壁光滑，不至于出现“台阶棱角”影响孔壁的光滑性。更进一步优选地，h的值使得H除以h为正整数，这样，经过整数次相同的位移调节过程即可实现加工目标，调节过程方便可控。

为便于精确控制每次重复加工时h_i及d_i微米量级的加工，优选地，采用超快激光器，即皮秒、飞秒激光器进行切割加工，加工效果较好。

如图3和4所示，分别为本具体实施方式的激光钻孔加工方法加工出圆形入口形状和方向入口形状的孔的俯视示意图。按照本具体实施方式的加工方法，可以完成方形孔、三角形孔、圆形孔以及不规则形状孔等任意形状孔的加工。

本具体实施方式的激光钻孔加工方法，通过上述分层加工过程，加工形成多级凹槽，这样切割孔的侧壁在微观上呈现台阶形状，但由于h_i及d_i极小，均在微米量级，所以从宏观上显示为光滑且连续的孔壁，且每次切割量h_i越小，控制的越精确，则宏观看起来孔壁越光滑。通过控制调节多级凹槽的深度和尺寸，以得到具有指定锥度值的孔。虽然激光加工系统中聚焦镜、振镜等的参数是固定的，但通过改变激光加工路径，分层加工，以及控制加工形成的凹槽的深度以及台阶的宽度，可实现加工出的孔为任意锥度值，满足需加工指定锥度值的孔的应用。方法实现过程中，无需增加任何额外的光学装置和任何成本，在现有的任意一台设备上都可以实现此方法加工任意锥度的锥形孔，适用于各类孔及微孔的加工要求。

进一步的，为了获得更加光滑的孔壁，钻孔完毕后，将激光离焦，然后使用离焦处理的激光扫描孔壁，用激光热效应将孔壁抛光，进一步提升孔壁光滑度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光钻孔加工方法，其特征在于：用于在一定厚度的待加工材料上加工出深度为H，锥度为θ的孔；包括以下步骤，1)调节激光焦点，使激光焦点聚焦于所述待加工材料的表面；2)使用激光在待加工材料上加工出一个凹槽，凹槽的形状尺寸为孔的入口形状尺寸；3)重复步骤31)和步骤32)，直至多级凹槽形成的孔的深度达到H：31)调节激光焦点下移，使激光焦点聚焦于已加工形成的凹槽的底部所在的平面；32)使用激光加工出一个凹槽，所述凹槽的深度为h_i，凹槽的形状为孔的入口形状，尺寸使得当前凹槽相对于上一级凹槽形成宽度为d_i/2的台阶；其中，i表示当前为第i次重复加工，d_i＝2h_i/tanθ，h_i和d_i均在微米量级。

2.根据权利要求1所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，各次重复加工时，步骤31)中加工的凹槽的深度h_i为一固定值h。

3.根据权利要求2所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：所述h的值与所述步骤2)中加工出凹槽的深度的值相同。

4.根据权利要求3所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：所述h的值使得H除以h为正整数。

5.根据权利要求3所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：所述h的值在10～60微米的范围内。

6.根据权利要求1所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：还包括步骤4)，将激光进行离焦处理，使用离焦处理后的激光扫描步骤3)中形成的孔的孔壁。

7.根据权利要求1所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：所述步骤2)和所述步骤3)中，采用超快激光器出射的激光进行加工。

8.根据权利要求7所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：所述超快激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器。

9.根据权利要求1所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：待加工形成的孔的入口形状为圆形、方形或者三角形。

10.根据权利要求1所述的激光钻孔加工方法，其特征在于：待加工形成的孔的入口形状为不规则形状。