CN108971775B - 一种用于金属的激光打孔方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例属于激光加工技术领域，涉及一种用于金属的激光打孔方法及设备，所述方法包括：定位至目标加工孔的加工孔位，输出激光束，根据第一激光打孔轨迹图对所述加工孔位进行镂空加工；镂空加工后，以激光填充方式去除所述目标加工孔内的多余边角料，形成一过渡加工孔，所述过渡加工孔的孔径小于所述目标加工孔的孔径；根据第二激光加工轨迹图对过渡加工孔的边缘进行整形加工，形成目标加工孔；所述设备用于执行前述方法，包括电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、远心聚焦镜头、工作平台和清洁装置。根据本发明实施例提供的方法和设备，可以有效提升加工效率，防止被加工产品发生热形变，同时有效改善孔的圆度和锥度。

Description

一种用于金属的激光打孔方法及设备

技术领域

本发明实施例属于激光加工技术领域，尤其涉及一种用于金属的激光打孔方法及设备。

背景技术

现有的激光在金属上打孔的工艺，通常都是利用软件自身的填充方式或单点叠加能量的方式，来控制激光在通过普通聚焦镜聚焦后形成高能量密度的光热源，对金属进行气化蒸发打孔。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在下述问题：

1、加工效率慢，如图1所示，现有的加工工艺是靠激光填充线段的方式或单点叠加能量的方式去累积能量，一层一层去除加工孔内的金属物质，加工时间长；

2、被加工产品易变形，因加工时间过长，被加工产品得不到有效的散热，在加工孔还没有到达一定圆度的时候被加工产品就已经发生形变；

3、由于激光入射角的差异，加工孔的边缘与中心的孔径是有差异的，导致孔径的圆度存在差异，在同一被加工产品上加工多个孔时，由于激光入射角的差异导致每个孔的锥度不一样。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种用于金属的激光打孔方法及设备，以提高打孔效率，防止产品因打孔时间过长、加工位置过热而产生形变，改善加工孔的圆度和锥度。

第一方面，本发明实施例提供一种用于金属的激光打孔方法，包括：

定位至目标加工孔的加工孔位，输出激光束，根据第一激光打孔轨迹图对所述加工孔位进行镂空加工，其中第一激光打孔轨迹图的中心与所述目标加工孔的中心重合，所述第一激光打孔轨迹图的直径小于所述目标加工孔的孔径；

镂空加工后，以激光填充方式去除所述目标加工孔内的多余边角料，形成一过渡加工孔，所述过渡加工孔的孔径小于所述目标加工孔的孔径；

根据第二激光加工轨迹图对过渡加工孔的边缘进行整形加工，形成目标加工孔，其中所述第二激光打孔轨迹图的中心与所述目标加工孔的中心重合，所述第二激光打孔轨迹图的直径等于所述目标加工孔的孔径。

进一步地，所述第一激光打孔轨迹图由多条独立的加工轨迹组成，所述多条独立的加工轨迹具有不同的加工起点和终点，且所述多条独立的加工轨迹的形状相同。

可选的，所述多条独立的加工轨迹的形状为直线、“S”形或“∞”形。

进一步地，所述第二激光加工轨迹图包括多条独立的圆形加工轨迹，每条圆形加工轨迹重叠形成一闭合圆，所述闭合圆的圆心均与目标加工孔的中心重合，且所述闭合圆的直径与目标加工孔的孔径相同。

可选的，所述每条圆形加工轨迹的起点在所述闭合圆的圆周上均匀分布。

可选的，所述第二激光加工轨迹图包含的圆形加工轨迹至少为3条。

进一步地，所述方法还包括在完成激光打孔后进行清洁操作。

进一步地，所述方法还包括在完成激光打孔的产品表面进行涂胶操作。

可选的，所述方法采用红外光纤激光器输出激光脉冲，其中激光脉冲的波长为1055nm-1075nm，脉宽为80ns，平均功率为20W。

第二方面，本发明实施例提供一种用于金属的激光打孔设备，用于执行上述的激光打孔方法，包括：电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、远心聚焦镜头、工作平台和清洁装置，其中：

所述电气控制部用于对激光器提供能量电源，控制激光光束的输出方式；

所述激光器用于为激光加工材料提供光源；

所述扩束镜用于将激光源发出的激光扩大，以使其更好地将激光汇聚到被加工产品上；

所述振镜系统包括将激光按照电气控制部给定的指定位置进行定位标记；

所述远心聚焦镜头用于使激光光束在每个平面聚焦到点的激光光斑特性保持一致；

所述工作平台用于放置被加工产品，所述工作平台上放置被加工产品的位置设置有一漏空装置和一夹具；

所述清洁装置用于在激光打孔完成后去除产品表面的废料。

根据本发明实施例提供的用于金属的激光打孔方法和设备，可以有效提升加工效率，防止被加工产品发生热形变，同时有效改善孔的圆度和锥度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中激光打孔加工示意图；

图2为本发明实施例提供的激光打孔方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的激光打孔加工示意图；

图4为本发明实施例提供的多孔产品的示意图；

图5为本发明实施例提供的激光打孔设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供一种用于金属的激光打孔方法，具体的，参阅图2所示的流程图，并结合图3所示的打孔加工示意过程，所述方法包括如下步骤：

S101：定位至目标加工孔的加工孔位，输出激光束，根据第一激光打孔轨迹图对加工孔位进行镂空加工，其中第一激光打孔轨迹图的中心与目标加工孔A的中心重合，第一激光打孔轨迹图的直径小于目标加工孔A的孔径；

S102：镂空加工后，以激光填充方式去除目标加工孔A内的多余边角料，形成一过渡加工孔B，过渡加工孔B的孔径小于目标加工孔A的孔径；

S103：根据第二激光加工轨迹图对过渡加工孔B的边缘进行整形加工，形成目标加工孔A，其中第二激光打孔轨迹图的中心与目标加工孔A的中心重合，第二激光打孔轨迹图的直径等于目标加工孔A的孔径；

具体地，在S101中，将被加工产品放在工作平台上的夹具里，调试激光打孔机，设置好参数，调整激光焦距以及孔型的大小，调整激光头位置，直至激光打孔位置合适后即可开始加工，在本实施例中，第一激光打孔轨迹图由多条独立的加工轨迹组成，该多条独立的加工轨迹具有不同的加工起点和终点，但各轨迹的形状相同，比如均为直线、“S”形状或者“∞”形状等，至于选择何种加工轨迹，需要根据激光功率、被加工产品厚度等实际情况来确定或调整；在本实施例中，以“S”形的加工轨迹为例进行说明，参阅图3，图示的第一激光打孔轨迹图包括四条独立的“S”形加工轨迹，分别为加工轨迹1、加工轨迹2、加工轨迹3和加工轨迹4，这四条“S”形加工轨迹的共轴心，组成一个“花瓣”形状的第一激光打孔轨迹图，该第一激光打孔轨迹图的直径小于目标加工孔A的孔径，加工时，可依次按照加工轨迹1、加工轨迹2、加工轨迹3和加工轨迹4的顺序进行激光加工，具体的，激光头首先定位至加工轨迹1的起点，然后输出激光束进行打孔加工，直到激光束运行至加工轨迹1的终点，如果加工轨迹1的终点与加工轨迹2的起点重合，则直接按照加工轨迹2进行打孔加工，否则停止输出激光束，将激光头定位置加工轨迹2的起点后再输出激光束进行打孔加工，或者不停止输出激光束，而是按照过渡加工轨迹将激光束从加工轨迹1的终点运动至加工轨迹2的起点，依次类推，直到按照全部加工轨迹完成激光加工；此外，也可选择任意一条加工轨迹作为起始加工轨迹，并按照就近原则选择相邻的未加工轨迹作为下一条加工轨迹。与传统的激光填充方式不同，采用多条独立加工轨迹的可快速镂空目标加工孔A内部金属材料，相比传统方式打孔效率至少提升1倍，由于效率提高，从而减少了激光与金属的接触时间，相应地减少激光对金属的热效应，使得被加工产品不易发生形变；

具体地，在S102中，利用激光填充方式快速地去除目标加工孔A内多余的金属边角，如图3所示，图中阴影部分5即为执行S101后残留的金属边角，这时利用激光填充方式，可以快速将多余的金属边角完全去除，完成S102后，目标加工孔A内的金属物质基本去除，形成一过渡加工孔B，过渡加工孔B的孔径小于目标加工孔A的孔径，且过渡加工孔B的边缘存在有小锯齿，此时需执行S103进行修整。

具体的，对于S103，第二激光加工轨迹图包括多条独立的圆形加工轨迹，即每条加工轨迹为起点和终点重合，该多条圆形加工轨迹的圆心均与目标加工孔A的中心重合(即前述的多条圆形加工轨迹重叠形成一个闭合圆)，且该多条圆形加工轨迹的直径与目标加工孔A的孔径相同；在本实施例中，上述多条圆形加工轨迹的起点在闭合圆的周向均匀分布，即每条圆形加工轨迹的起点绕闭合圆的圆心在周向旋转固定角度N后可到达另一圆心加工轨迹的起点，其中，该固定角度N与圆形加工轨迹的数量M的乘积为360度；本实施例以6条圆形加工轨迹为例，图3中所示的起点1'、起点2'、起点3'、起点4'、起点5'、起点6'分别为该6条圆形加工轨迹的加工起点，相邻两个起点与圆心形成的圆心角为60度，加工时，依次根据该6条圆形加工轨迹进行激光加工，由于存在多个激光加工起点和终点，可以从不同角度对过渡加工孔B进行边缘修整，防止激光器的首脉冲过大造成边缘修整效果不一致的问题，改善孔的圆度，同时可弱化因激光束入射角度不同对孔锥度造成的影响，从而改善孔的锥度，修整完成后，可得到满足圆度和锥度要求的目标加工孔A；

在本实施例的其他方案中，也可以设置其他数量的圆形加工轨迹，为了保证打孔质量，在第二激光加工轨迹图中至少包括3条圆形加工轨迹。

在本实施例的其他方案中，采用上述实施例所述的方法，在相同的参数下，可在被加工产品上加工一系列具有相同孔径的孔，如图4所示，在实际加工过程中，采用本发明上述实施例提供的方法，可以大大提高这类产品的打孔效率，例如手机金属壳上的音量孔，在对0.5mm厚的手机金属壳加工音量孔时，如果使用单一激光填充方式打孔，最少需用时2分钟才能得满足圆度、锥度效果的音量孔，但是用本发明实施例提供的方法，打孔时间只需40多秒就可以达到满足圆度、锥度要求的音量孔，节约了大量的时间，提高了生产效率，从而节省了生产成本，即使在较大范围内打孔(比如激光打孔范围为70mm*70mm)也能保证激光打孔的孔径一致性；此外，采用本发明上述实施例提供的方法，将打孔范围内的金属材料快速汽化，再修整边缘，减少激光束在被加工产品上的作用时间，防止被加工产品在打孔过程中发生热形变。

进一步地，本发明实施例提供的用于金属的激光打孔方法在执行S103后，还包括对完成激光打孔的产品进行清洁处理，去除灰尘或金属残渣，具体可采用吹气或吸气的方式去除。

进一步地，本发明实施例提供的用于金属的激光打孔方法还包括将去灰尘处理的产品进行涂胶操作，具体的，在产品表层涂抹一层透明胶水，可防止产品在使用过程中被其他物质堵塞。

在本发明的上述实施例中，采用红外光纤激光器输出激光束进行打孔操作，其中，在本实施例中，红外光纤激光器输出的激光脉冲波长为1055nm-1075nm，脉宽为80ns，平均功率为20W。

本发明另一实施例还提供一种用于金属的激光打孔设备，用于实施前述实施例所述的用于金属的激光打孔方法，如图5所示的激光打孔设备的结构示意图，所述设备包括：电气控制部10、激光器20、扩束镜30、振镜系统40、远心聚焦镜头50和工作平台60；其中：

电气控制部10用于对激光器提供能量电源，控制激光光束的输出方式；

激光器20用于为激光加工材料提供光源，在本实施例中，激光器20为红外光纤激光器，其脉冲波长为1055nm-1075nm，脉宽为80ns，平均功率为20W；

扩束镜30用于将激光源发出的光扩大，提高激光的传输特性，以使其更好地将激光汇聚到被加工产品上；

振镜系统40包括X振镜和Y振镜，X振镜和Y振镜均由扫描电机和光学反射镜片组合而成，用于利用扫描电机带动光学镜片进行偏转式运动将激光按照电气控制部10给定的指定位置进行定位标记；

远心聚焦镜头50为平行光路设计，在打孔范围内每束光都是垂直平行的，用于使激光光束在每个平面聚焦到点的激光光斑特性一致，因此可以消除激光入射角不同造成的光斑畸变问题，在执行前述实施例所述的方法时，可进一步改善孔的锥度；

工作平台60用于放置被加工产品，其中，工作平台60上放置被加工产品的位置设置有一漏空装置(未图示)和一夹具(未图示)，其中漏空装置用于漏出打孔废料，夹具用于固定被加工产品。

进一步地，所述设备还包括一清洁装置(未图示)，用于在激光打孔完成后去除产品表面的金属屑、灰尘等废料，保证产品清洁，可选的，在激光打孔过程中，也可开启清洁装置，作为可选方案，所述清洁装置可以采用吹气装置或吸气装置。

本发明实施例提供的用于金属的激光打孔设备执行前述实施例所述的方法时，可实现前述方法实施例的效果。

根据本发明实施例提供的用于金属的激光打孔方法及设备，可以有效提升加工效率，防止被加工产品发生热形变，同时有效改善孔的圆度和锥度。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于金属的激光打孔方法，其特征在于，包括：

定位至目标加工孔的加工孔位，输出激光束，根据第一激光打孔轨迹图对所述加工孔位进行镂空加工，其中第一激光打孔轨迹图的中心与所述目标加工孔的中心重合，所述第一激光打孔轨迹图的直径小于所述目标加工孔的孔径，所述第一激光打孔轨迹图由多条独立的加工轨迹组成；

镂空加工后，以激光填充方式去除所述目标加工孔内的多余边角料，形成一过渡加工孔，所述过渡加工孔的孔径小于所述目标加工孔的孔径；

根据第二激光打孔轨迹图对过渡加工孔的边缘进行整形加工，形成目标加工孔，其中所述第二激光打孔轨迹图的中心与所述目标加工孔的中心重合，所述第二激光打孔轨迹图的直径等于所述目标加工孔的孔径，所述第二激光打孔轨迹图包括多条独立的圆形加工轨迹，其中，每条圆形加工轨迹重叠形成一闭合圆，每条圆形加工轨迹的起点绕所述闭合圆的圆心在周向旋转固定角度后可到达另一圆形加工轨迹的起点，其中，所述固定角度与所述圆形加工轨迹的数量的乘积为360度。

2.根据权利要求1所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述多条独立的加工轨迹具有不同的加工起点和终点，且所述多条独立的加工轨迹的形状相同。

3.根据权利要求2所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述多条独立的加工轨迹的形状为直线、“S”形或“∞”形。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述闭合圆的圆心均与目标加工孔的中心重合，且所述闭合圆的直径与目标加工孔的孔径相同。

5.根据权利要求4所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述每条圆形加工轨迹的起点在所述闭合圆的圆周上均匀分布。

6.根据权利要求4所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述第二激光打孔轨迹图包含的圆形加工轨迹至少为3条。

7.根据权利要求1至3任一项所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述方法还包括在完成激光打孔后进行清洁操作。

8.根据权利要求7所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述方法还包括在完成激光打孔的产品表面进行涂胶操作。

9.根据权利要求1至3任一项所述的用于金属的激光打孔方法，其特征在于，所述方法采用红外光纤激光器输出激光脉冲，其中激光脉冲的波长为1055nm-1075nm，脉宽为80ns，平均功率为20W。

10.一种用于金属的激光打孔设备，用于执行权利要求1-9任一项所述的激光打孔方法，其特征在于，包括：电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、远心聚焦镜头、工作平台和清洁装置，其中：

所述电气控制部用于对激光器提供能量电源，控制激光光束的输出方式；

所述激光器用于为激光加工材料提供光源；

所述扩束镜用于将激光源发出的激光扩大，以使其更好地将激光汇聚到被加工产品上；

所述振镜系统包括将激光按照电气控制部给定的指定位置进行定位标记；

所述远心聚焦镜头用于使激光光束在每个平面聚焦到点的激光光斑特性保持一致；

所述工作平台用于放置被加工产品，所述工作平台上放置被加工产品的位置设置有一漏空装置和一夹具；

所述清洁装置用于在激光打孔完成后去除产品表面的废料。

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