CN106312332B - 一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，包括以下步骤：S10、确定陶瓷工件上的钻孔区域，将钻孔区域分为环形刻蚀区和位于该环形刻蚀区内的圆形钻孔区；S20、使用激光对所述环形刻蚀区进行刻蚀加工，同时同轴喷射辅助气体；S30、所述环形刻蚀区钻孔加工完成后，即为环形喷射区，使用激光对所述圆形钻孔区进行钻孔加工，同轴喷射所述辅助气体，同时使射流系统沿环形刻蚀区喷射液体，利用射流对辅助气体进行封锁，提高气体的辅助效果。本发明通过使用激光在环形刻蚀区钻孔时同轴喷射辅助气体以及在圆形钻孔区钻孔时辅助射流，可及时冲走熔渣，降低钻孔时的温度，进而降低重铸层的厚度，减少甚至避免微裂纹的产生，提高加工质量。

Description

一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法
技术领域
本发明涉及硬脆材料的激光加工技术，具体涉及一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法。
背景技术
激光加工因具有能量高、易控制、与被加工工件非接触等特点成为广泛应用的加工方法。对于硬脆材料，如陶瓷，激光加工在工件上产生的微裂纹、重铸层、热影响区等严重影响了加工的质量。加工中产生的熔渣易沉淀在被加工表面，阻碍材料对激光束的能量吸收，限制了可加工的工件厚度。目前，通常采用喷射辅助气体吹走熔渣，并降低加工区域的温度。当激光加工到一定深度时，气体的辅助作用明显减少，可加工陶瓷工件的厚度受限，直接影响加工效率、加工质量与精度，甚至使工件报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，以减少陶瓷工件在加工过程中的微裂纹的产生，增加可加工陶瓷工件的厚度，提高加工质量和精度。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，包括以下步骤：
S10、确定陶瓷工件上的钻孔区域，将钻孔区域分为环形刻蚀区和位于该环形刻蚀区内的圆形钻孔区；
S20、使用激光对所述环形刻蚀区进行刻蚀加工，同时同轴喷射辅助气体；
通过同轴喷射辅助气体可及时冲走熔渣，降低环形刻蚀区钻孔时的温度，进而降低重铸层的厚度，减少甚至避免微裂纹的产生。
S30、所述环形刻蚀区钻孔加工完成后，即为环形喷射区，使用激光对所述圆形钻孔区进行钻孔加工，同轴喷射所述辅助气体，同时使射流系统沿所述环形喷射区喷射液体。
本发明中，激光包括低能量激光和高能量激光，两者的钻孔加工参数不同。其中，步骤S20中使用的是低能量激光，步骤S30中使用的是高能量激光。本发明中，通过同轴喷射辅助气体可以冲走陶瓷工件在加过过程中产生的熔渣；射流系统沿环形刻蚀区喷射液体，并与辅助气体相结合，可以利用射流对辅助气体造成封锁，以提高辅助气体的作用，使辅助气体及时冲走熔渣圆形钻孔区，降低圆形钻孔区的加工温度，提高加工质量。
于本发明中，陶瓷工件可以为氧化铝陶瓷或者其他硬脆材料。
作为本发明的优选方案，所述步骤S30中圆形钻孔区，也可以固定所述射流系统并旋转所述陶瓷工件，以使所述辅助气体及时冲走熔渣
其中，所述射流系统的喷嘴直径为0.1～1mm，喷射角度为70～90°，喷射的液体的压力为5～20bar。
其中，所述液体为水。
其中，所述辅助气体选自空气、氮气、氩气或氧气中的任意一种。
其中，激光钻孔加工参数为：激光的波长为1064nm，激光的脉冲宽度为10～200ns，输出功率为10～20W，重复频率为2～1000KHz，离焦量为-2～2mm。
其中，所述步骤S10之前以及所述步骤S30之后均包括以下步骤：
将陶瓷工件置于有机溶剂中进行超声清洗，然后采用烘箱烘干。在陶瓷工件加工前以及加工完成后采用有机溶剂对其进行超声清洗，以去除陶瓷工件表面的杂质和污染物。
其中，所述有机溶剂为酒精或丙酮。
其中，所述超声清洗的时间为15～20min。
本发明的有益效果为：本发明通过使用激光在环形刻蚀区钻孔时同轴喷射辅助气体以及在圆形钻孔区钻孔时辅助射流，可利用射流对辅助气体造成封锁，提高辅助气体及时冲走熔渣的效果，降低钻孔时的温度，进而降低重铸层的厚度，减少甚至避免微裂纹的产生，提高加工质量。
附图说明
图1为本发明实施例的陶瓷工件(正面)的钻孔流程示意图。
图2为本发明实施例的陶瓷工件(横截面)的钻孔流程示意图。
图中：
1、陶瓷工件；2、环形刻蚀区；3、圆形钻孔区；4、环形喷射区。
具体实施方式
下面结合图1和图2并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明以氧化铝陶瓷材质的陶瓷工件的钻孔方法为例，对本发明的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法进行进一步说明。
实施例1
步骤1：将陶瓷工件1置于酒精中超声清洗15min，并用烘箱烘干；
步骤2：将陶瓷工件1固定于三维精密加工平台上，使用低能量激光对陶瓷工件1进行环形刻蚀区2刻蚀加工，同时向材料表面同轴喷射辅助气体(激光加工参数为波长1064nm，脉冲宽度为100ns，输出功率为10W，重复频率为500kHz，离焦量为1mm；所述气体为空气，喷射压力为20bar)；
步骤3：加工完成后，三维精密加工平台移动陶瓷工件1，使步骤2加工区域的圆心与激光光斑中心重合，使用高能量激光对圆形钻孔区3进行钻孔加工(激光加工参数为波长1064nm，脉冲宽度为200ns，输出功率为15W，重复频率为1000kHz，离焦量为-1mm；所述气体为空气，喷射压力为15bar)，同时使用射流系统向材料表面沿步骤2加工的环形喷射区4垂直喷射液体(所述液体为水，射流系统的压力为20bar，喷嘴直径为0.2mm，喷射压力为20bar)；
步骤4：取下陶瓷工件1，置于酒精中超声清洗15min，并用烘箱烘干。
实施例2
步骤1：将陶瓷工件1置于酒精中超声清洗20min，并用烘箱烘干；
步骤2：将陶瓷工件1固定于三维精密加工平台上，使用低能量激光对陶瓷工件1进行环形刻蚀区2刻蚀加工，同时向材料表面同轴喷射辅助气体(激光加工参数为波长1064nm，脉冲宽度为50ns，输出功率为15W，重复频率为300kHz，离焦量为-2mm；所述气体为氮气，喷射压力为10bar)；
步骤3：加工完成后，三维精密加工平台移动陶瓷工件，使步骤2加工区域的圆心与激光光斑中心重合，使用高能量激光对圆形钻孔区3进行钻孔加工(激光加工参数为波长1064nm，脉冲宽度为100ns，输出功率为20W，重复频率为500kHz，离焦量为1mm；所述气体为氮气，喷射压力为20bar)，同时使用射流系统向材料表面沿步骤2加工的环形喷射区4垂直喷射液体(所述液体为水，射流系统的压力为20bar，喷嘴直径为0.5mm，喷射压力为20bar)；
步骤4：取下陶瓷工件1，置于酒精中超声清洗20min，并用烘箱烘干。
实施例3
步骤1：将陶瓷工件1置于酒精中超声清洗15min，并用烘箱烘干；
步骤2：将陶瓷工件1固定于三维精密加工平台上，使用低能量激光对陶瓷工件进行环形刻蚀区2刻蚀加工，同时向材料表面同轴喷射辅助气体(激光加工参数为波长1064nm，脉冲宽度为100ns，输出功率为10W，重复频率为500kHz，离焦量为2mm；所述气体为氩气，喷射压力为5bar)；
步骤3：加工完成后，三维精密加工平台移动陶瓷工件1，使步骤2加工区域的圆心与激光光斑中心重合，使用高能量激光对圆形钻孔区3进行钻孔加工(激光加工参数为波长1064nm，脉冲宽度为150ns，输出功率为15W，重复频率为800kHz，离焦量为1mm；所述气体为氩气，喷射压力为5bar)，同时使用射流系统向材料表面沿步骤2加工的环形喷射区4垂直喷射液体(所述液体为水，射流系统的压力为20bar，喷嘴直径为1mm，喷射压力为20bar)；
步骤4：取下陶瓷工件1，置于酒精中超声清洗20min，并用烘箱烘干。
采用上述实施例1～3的方法对陶瓷工件进行钻孔加工，陶瓷工件的表面以及孔壁上没有任何微裂纹的产生，重铸层的厚度降低，而且加工错称重没有熔渣产生，增加了可加工陶瓷工件的厚度，使陶瓷工件具有高加工高精度和高加工质量。
以上实施例仅用来说明本发明的详细方法，本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、确定陶瓷工件上的钻孔区域，将钻孔区域分为环形刻蚀区和位于该环形刻蚀区内的圆形钻孔区；
S20、使用低能量激光对所述环形刻蚀区进行刻蚀加工，同时同轴喷射辅助气体；
S30、所述环形刻蚀区钻孔加工完成后，即为环形喷射区，使用高能量激光对所述圆形钻孔区进行钻孔加工，同轴喷射所述辅助气体，固定所述射流系统并旋转所述陶瓷工件，以使所述辅助气体及时冲走熔渣，同时使射流系统沿所述环形喷射区喷射液体，所述液体为水。
2.根据权利要求1所述的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述射流系统的喷嘴直径为0.1～1mm，喷射角度为70～90°，喷射的液体的压力为5～20bar。
3.根据权利要求1所述的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述辅助气体选自空气、氮气、氩气或氧气中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，激光钻孔加工参数为：激光的波长为1064nm，激光的脉冲宽度为10～200ns，输出功率为10～20W，重复频率为2～1000KHz，离焦量为-2～2mm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述步骤S10之前以及所述步骤S30之后均包括以下步骤：
将陶瓷工件置于有机溶剂中进行超声清洗，然后采用烘箱烘干。
6.根据权利要求5所述的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述有机溶剂为酒精或丙酮。
7.根据权利要求5所述的射流和气体辅助激光的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述超声清洗的时间为15～20min。
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