CN107350640A - 一种高效率多波长激光打孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波长激光打孔方法，是采用激光器发出一组脉冲激光光束时，经过空间滤波器除去杂质和干扰波，再经过二倍频晶体和三倍频晶体，得到三种不同波长的激光进行打孔。打孔过程包括孔边界形成过程、孔内材料加热过程、粉末排出过程；所述的空间滤波器优选四柱透镜狭缝型空间滤波器；所述的四柱透镜狭缝型空间滤波器入射光束口径为300mm×300mm~450mm×450mm，透镜焦距为1~30m，狭缝截止频率为0.02~0.05mm‑1；所述的激光器能量为10~100J，脉冲频率为3~45kHz，脉宽10~200ms，激光扫描速度为3~35mm/s，打孔深度为0.5~20mm；在加工过程中可以通过调节频晶体和反透镜的角度控制脉冲激光光束的能量，提高预成型孔的质量和工作效率。

Description

一种高效率多波长激光打孔方法
技术领域
本发明涉及加工制造领域，尤其涉及一种高效率多波长激光打孔方法。
背景技术
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要领域之一。早在20世纪60年代就用激光在钻石上打孔，随着激光技术的发展，激光打孔能力的不断提高，成为改造传统加工的一种有效手段。随着近代工业和科学技术的的不断提高，成为改造传统加工的一种有效手段。随着近代工业和科学技术的迅速发展，是用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工具要求。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得105~1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可对任何材料实行激光打孔。与其它方法如机械锚孔、电火花加工等常规打孔手段相比，激光打孔具有很大的优势：
1.激光打孔速度快，效率高，经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度为每平方厘米107～108W的高能激光束对材料进行瞬间作用，作用时间只有10-5～10-3秒， 因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合，通过微处理机进行程序控制，可以实现高效率打孔。在不同工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比，效率提高10～1000倍。另外，激光打孔过程与工件不接触，省去了一般机械加工方法所造成的钻头断裂、磨损、更换刀具等工序的麻烦。
2.激光打孔可获得大的深径比。一般情况下，机械钻孔和电火花打孔所获得的深径比值不超过10。使用增设腔内光栏，增加Q开关或调整导光系统参数的方法，来改变打孔光束质量时，很容易获得高质量、大深径比的小孔。例如：在碳钢上，通过对导光系统参数进行调整，可加工出深度16.2mm，孔径0.25mm的小孔，其深径比可达65：1。
3.激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。高能量激光束打孔不受材料的硬度、钢性、强度和脆性等机械性能限制，它既适于金属材料，也可用于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于难加工材料大都具有高强度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等特点，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短。而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。
4.激光打孔无工具损耗。激光打孔为无接触加工，避免了机械钻微孔时易断钻头、废品率高的问题。
5.激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。由于激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得激光打孔过程准确无误地重复成千上万次。通过程序控制可以连续、高效地加工出小孔径、数量大、密度高的群孔板。
6.用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。对于机械钻孔和电火花打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极为困难的。倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。如果为高强度、高硬度材料打孔几乎是不可能的。而激光却特别适合于加工件与工件表面成6°～90°角的小孔，即使是在难以加工材料上打斜孔也很容易
激光和材料作用的物理过程是十分复杂的，其原因和材料的多样性、激光参数的多样化、激光打孔方式的选择、作用条件的多样化相关。虽然激光打孔效率高，但由于激光加工属热加工范畴，在加工表面残留物在凝固时，不仅改变了冶金状态，还余产生微裂纹。
专利CN201410058041.6介绍了一种CO2激光打孔方法，通过改变工件的表面状况可得到基本一致的表面反射状况，提高激光打孔的重复稳定性。但对工件表面的飞溅物仍没有较好的解决方案。
专利CN201510751462.1中介绍，利用超短脉冲激光加工出了高质量的微孔，这种激光加工机的脉冲宽度为飞秒数量级，能够快速去除材料。虽然这类激光打孔方法能获得高质量惊喜的打孔质量，但是由于超短脉冲激光价格昂贵，而且平均能量比较低，不能获得高速度的激光打孔，同样限制了激光打孔在工业中的应用。
综上所述，如何有效的解决打孔过程中产生的再铸层以及微裂纹，激光打孔的重复稳定性、打孔孔径相差很大等制约激光打孔在工业应用等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高效率多波长激光打孔方法，能够提高打孔效率、打孔质量以及打孔精度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
一种高效率多波长激光打孔方法，多波长激光打孔系统包括激光器、脉冲激光电源系统、光学系统、机械系统、冷却系统；激光打孔方法为利用激光器发出的一束激光，先经过空间滤波器，接着经过倍频晶体，再通过反透镜，将输出的多脉冲激光光束在待打孔基板上进行扫描、加热打孔。
优选地，上述方案中，所述的激光器为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器中一种；所述的脉冲激光电源系统主回路包括充电电路、储能电路、触发电路及预燃电路、操作与控制电路等；所述的光学系统包括扩束准直系统和聚焦系统；所述的机械系统主要有床身、工作台、传动控制系统；所述的冷却系统是指在孔成型过程中，对预成型孔的基板材料进行冷却；所述的冷却是指向预成型孔的基板材料输入低温气体或低温液体。
优选地，上述方案中，所述的激光打孔过程包括以下步骤：
（1）孔边界形成过程，多波长脉冲激光光束在待打孔基板表面进行扫描，确定激光光束与待打孔基板之间的角度。
（2）孔内材料加热过程，是多波长脉冲激光光束与预成型孔对准，对预成型孔的基板材料进行加热；
（3）粉末排出过程，在待打孔基板侧表面，向待打孔孔内吹气或吸气，使切割过程产生的粉末排出；所述的吹气或吸气过程，是指通过设置多个喷嘴，围绕待打孔切割边界均匀分布。
优选地，上述方案中，所述的空间滤波器为四柱透镜狭缝型空间滤波器、柱-球-柱狭缝型空间滤波器、交叉四镜狭缝型空间滤波器、柱面镜空间滤波器、针孔型空间滤波器中的一种；优选四柱透镜狭缝型空间滤波器；所述的四柱透镜狭缝型空间滤波器入射光束口径为300mm×300mm~450mm×450mm，透镜焦距为1~30m，狭缝截止频率为0.02~0.05mm-1。
优选地，上述方案中，所述的倍频晶体包括二倍频晶体和三倍频晶体；所述的二倍频晶体包括LBO晶体（三硼酸锂(LiB3O5)）、KTP晶体（磷酸氧钛钾(KTiOPO4)）、如KDP晶体、DKDP晶体、ADP晶体、DKDP(磷酸二氘钾)晶体中的一种；所述的三倍频晶体可以利用非线性晶体转换，包括LiB3O5(LBO)、BaB2O4(BBO)、K2A12B2O7(KABO)、CsLiB6Ol0(CLBO)、KBe2BO3F2(KBBF)、YCa4O(BO3)3(YCOB)、CsB3O5(CBO)中一种。
优选地，上述方案中，所述的激光器、空间滤波器、二倍频晶体、三陪频晶体、聚焦透镜沿光路依次排列；所述的空间滤波器、二倍频晶体、三陪频晶体、聚焦透镜的通光面镀有介质膜；所述的空间滤波器、二倍频晶体、三陪频晶体、聚焦透镜依次按通光面胶合。
优选地，上述方案中，所述的高效率激光基波作用在二倍频晶体上产生二次谐波，二次谐波射入三倍频晶体上，采用腔内-腔外多次反射和非线性聚焦光束的方法产生多次积累的三次谐波激光输出，基波和三次谐波偏振光小角度折射光路形成低损耗的偏振耦合，并用多次小角度的内全折射光路。
优选地，上述方案中，所述的冷却系统是指内道有致冷器的二次水冷循环系统，使水的工作温度保持在15~40℃，致冷器的功率为2~5kw。
优选地，上述方案中，所述的激光器能量为10~100J，脉冲频率为3~45kHz，脉宽10~200ms，激光扫描速度为3~35mm/s，打孔深度为0.5~20mm。
优选地，上述方案中，所述的检测系统是指当预成型孔并冷却后，所述的激光系统输出脉冲激光光束，激光光束与预成型孔相对准时，检测判断预成型孔中是否有光亮，若有光亮，则判断为所述预成型孔内尚有杂质；若没有光亮，则判断为所述预成型孔内无杂质。
本发明上述技术方案中具有以下有益效果：
本发明提供了一种多波长激光打孔方法，是采用激光器发出一组脉冲激光光束时，经过空间滤波器除去杂质和干扰波，再经过二倍频晶体和三倍频晶体，得到三种不同波长的激光进行打孔，在加工过程中可以通过调节频晶体和反透镜的角度控制脉冲激光光束的能量，提高预成型孔的质量和工作效率。
附图说明
图1 为实施例光打孔装置结构图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
本实施通过对不同含碳量的碳钢进行打孔，本实施例选择的材料是不锈钢、50#钢和T8；其中不锈钢厚度为lmm，50#钢和T8钢为1mm进行孔径分别为0.25mm和0.3mm打孔实验。透镜的焦距为130mm，激光光束发散角小于1.2mrad，选择四柱透镜狭缝型空间滤波器所述的四柱透镜狭缝型空间滤波器入射光束口径为300mm×300mm，狭缝截止频率为0.03mm-1。
激光器发出一组脉冲激光光束时，经过空间滤波器除去杂质和干扰波，再经过二倍频晶体和三倍频晶体，得到三种不同波长的激光进行打孔，如图1所示。
激光打孔过程包括以下步骤：
（1）孔边界形成过程，多波长脉冲激光光束在待打孔基板表面进行扫描，确定激光光束与待打孔基板之间的角度。
（2）孔内材料加热过程，是多波长脉冲激光光束与预成型孔对准，对预成型孔的基板材料进行加热；
（3）粉末排出过程，在待打孔基板侧表面，向待打孔孔内吹气或吸气，使切割过程产生的粉末排出；所述的吹气或吸气过程，是指通过设置多个喷嘴，围绕待打孔切割边界均匀分布。
在脉冲宽度一定的情况下，打出给定尺寸的孔，是由所选的脉冲能量来达到的。选择不同能量的脉冲激光打孔，变能量激光打孔数据表如表1。
激光能量的不同，孔径的大小也会有所不同。其中不锈钢、50#钢和T8的数据如表2、3、4所示。采用不同脉宽的激光进行打孔，试件厚度为1mm，脉冲重复频率为5Hz，脉冲能量为79J，打孔结果如表5。
表1 变能量激光打孔数据表：
能量（J） 脉冲宽度（ms） 脉冲重复频率（Hz）
50 180 5
62 180 5
70 180 5
79 180 5
91 180 5
97 180 5
表2 不锈钢变能量打孔数据表（1mm厚试件）：
能量（J） 上孔径（mm） 下孔径（mm） 锥度（rad）
50 0.1873 0.1801 0.00322
62 0.1926 0.1814 0.00577
70 0.2078 0.1821 0.00782
79 0.2189 0.1932 0.01131
91 0.2291 0.1964 0.01131
97 0.2316 0.2001 0.01227
表3 50#碳钢变能量打孔数据表（1mm厚试件）：
能量（J） 上孔径（mm） 下孔径（mm） 锥度（rad）
50 0.2127 0.1882 0.00916
62 0.2264 0.1927 0.01181
70 0.2372 0.2004 0.01292
79 0.2312 0.2046 0.01323
91 0.2406 0.2113 0.01466
97 0.2672 0.2201 0.01520
表4 T80钢变能量打孔数据表（1mm厚试件）：
能量（J） 上孔径（mm） 下孔径（mm） 锥度（rad）
50 0.2271 0.1969 0.01511
62 0.2365 0.2060 0.01521
70 0.2492 0.2155 0.01685
79 0.2605 0.2251 0.01778
91 0.2772 0.2403 0.01844
97 0.2805 0.2407 0.01991
表5 采用不同脉宽的激光进行打孔表：
脉冲宽度（ms） 孔径（mm） 深度（mm）
100 0.2429 0.8279
120 0.2349 0.7268
140 0.2215 0.6678
160 0.2146 0.6489
180 0.1978 0.5478

Claims (10)

1.一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，多波长激光打孔系统包括激光器、脉冲激光电源系统、光学系统、机械系统、冷却系统、检测系统；激光打孔方法为利用激光器发出的一束激光，先经过空间滤波器，接着经过倍频晶体，再通过反透镜，将输出的多脉冲激光光束在待打孔基板上进行扫描、加热打孔。
2.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的激光器为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器中一种；所述的脉冲激光电源系统主回路包括充电电路、储能电路、触发电路及预燃电路、操作与控制电路等；所述的光学系统包括扩束准直系统和聚焦系统；所述的机械系统主要有床身、工作台、传动控制系统；所述的冷却系统是指在孔成型过程中，对预成型孔的基板材料进行冷却；所述的冷却是指向预成型孔的基板材料输入低温气体或低温液体。
3.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的激光打孔过程包括以下步骤：
（1）孔边界形成过程，多波长脉冲激光光束在待打孔基板表面进行扫描，确定激光光束与待打孔基板之间的角度；
（2）孔内材料加热过程，是多波长脉冲激光光束与预成型孔对准，对预成型孔的基板材料进行加热；
（3）粉末排出过程，在待打孔基板侧表面，向待打孔孔内吹气或吸气，使切割过程产生的粉末排出；所述的吹气或吸气过程，是指通过设置多个喷嘴，围绕待打孔切割边界均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的空间滤波器为四柱透镜狭缝型空间滤波器、柱-球-柱狭缝型空间滤波器、交叉四镜狭缝型空间滤波器、柱面镜空间滤波器、针孔型空间滤波器中的一种；优选四柱透镜狭缝型空间滤波器；所述的四柱透镜狭缝型空间滤波器入射光束口径为300mm×300mm~450mm×450mm，透镜焦距为1~30m，狭缝截止频率为0.02~0.05mm-1。
5.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的倍频晶体包括二倍频晶体和三倍频晶体；所述的二倍频晶体包括LBO晶体（三硼酸锂(LiB3O5)）、KTP晶体（磷酸氧钛钾(KTiOPO4)）、如KDP晶体、DKDP晶体、ADP晶体、DKDP(磷酸二氘钾)晶体中的一种；所述的三倍频晶体可以利用非线性晶体转换，包括LiB3O5(LBO)、BaB2O4(BBO)、K2A12B2O7(KABO)、CsLiB6Ol0(CLBO)、KBe2BO3F2(KBBF)、YCa4O(BO3)3(YCOB)、CsB3O5(CBO)中一种。
6.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的激光器、空间滤波器、二倍频晶体、三陪频晶体、聚焦透镜沿光路依次排列；所述的空间滤波器、二倍频晶体、三陪频晶体、聚焦透镜的通光面镀有介质膜；所述的空间滤波器、二倍频晶体、三陪频晶体、聚焦透镜依次按通光面胶合。
7.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的高效率激光基波作用在二倍频晶体上产生二次谐波，二次谐波射入三倍频晶体上，采用腔内-腔外多次反射和非线性聚焦光束的方法产生多次积累的三次谐波激光输出，基波和三次谐波偏振光小角度折射光路形成底损耗的偏振耦合，并用多次小角度的内全折射光路。
8.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的冷却系统是指内道有致冷器的二次水冷循环系统，使水的工作温度保持在15~40℃，致冷器的功率为2~5kw。
9.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的激光器能量为10~100J，脉冲频率为3~45kHz，脉宽10~200ms，激光扫描速度为3~35mm/s，打孔深度为0.5~20mm。
10.根据权利要求1所述的一种高效率多波长激光打孔方法，其特征在于，所述的检测系统是指当预成型孔并冷却后，所述的激光系统输出脉冲激光光束，激光光束与预成型孔相对准时，检测判断预成型孔中是否有光亮，若有光亮，则判断为所述预成型孔内尚有杂质；若没有光亮，则判断为所述预成型孔内无杂质。
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