CN109128530A - 一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，包括以下步骤：将工件表面研磨抛光，固定于工作平台上，激光加工前先完成工件表面激光对焦；激光加工时，先移动工件并选定微孔加工区域位于激光加工系统的动态聚焦镜片组下方；激光束依次进入动态聚焦镜片组以形成多个焦点于工件的微孔加工区域;动态聚焦镜片组中的各聚焦镜可沿X、Y方向移动以分别调节焦点的数量及聚焦的相对位置，进而完成微孔加工。本发明通过引入至少二个聚焦镜在材料的微孔加工区域形成多个焦点，可动态调节至少二个聚焦镜的相对位置以实现聚焦光斑的直径及焦距可调，可在提高微孔加工效率的同时，提高可加工的微孔深径比及加工质量。

Description

一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法。

背景技术

激光微孔加工技术通过聚焦后的高能量激光束可快速去除材料且没有工具磨损，具有传统加工技术难以比拟的优势，已广泛应用于航空航天、电子信息、轨道交通等领域，发展十分迅速。随着微孔加工的深度增加，激光的能量损失及残留在微孔中较难去除的熔渣严重限制了微孔加工效率与可加工的微孔深径比，普通聚焦的单焦点激光加工技术已无法满足不断提高的微孔加工要求。新材料的出现，特别是新兴复合材料的日益广泛应用，也急需发展新的激光微孔加工技术。专利CN201310040946.6公开了一种多焦点激光加工系统，通过在光路上串联光学元件形成多个焦点的方式以提高加工速度和产品质量，该系统虽可改变多个焦点之间的激光功率及距离，但无法在加工过程中实现动态调整，缺乏灵活性，满足不了材料及微孔加工的多样化要求。文献（Machining parameter optimizationof C/SiC composites using highpower picosecond laser, Applied Surface Science330 (2015) 321-331）报道了高功率皮秒激光以螺旋扫描的方式加工C/SiC复合材料微孔，虽然相比长脉宽激光对材料的烧蚀显著降低，但加工的微孔锥度较大且随着激光扫描速度的增大，材料的加工深度显著降低，严重影响了加工效率。因此，需要研究一种新的动态调整多焦点的激光微孔加工方法，以满足材料微孔加工高效率、高质量、高深径比的要求。

现有技术中，主要存在以下问题：1、随着微孔加工深度增加，激光能量的损失与难以喷出的材料熔渣，限制了微孔加工效率与可加工微孔的深径比；2、随着材料及微孔加工要求的多样化，缺乏灵活性的激光加工方法，难以满足对微孔高效率、高质量、高深径比的加工要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，本发明通过引入至少二个聚焦镜在材料的微孔加工区域形成多个焦点，可动态调节至少二个聚焦镜的相对位置以实现聚焦光斑的直径及焦距可调，可在提高微孔加工效率的同时，提高可加工的微孔深径比及加工质量。

本发明的技术方案为：一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将所需加工的工件表面研磨抛光，固定于工作平台上，移动工作平台使工件位于激光加工系统的下方；

S2.激光加工前，开启激光加工系统完成工件表面的激光对焦后，关闭激光加工系统；

S3.激光加工时，先移动工件并选定微孔加工区域位于激光加工系统的动态聚焦镜片组下方，开启激光加工系统;

S4.由激光器发出激光束，经反射镜进入扩束镜，再依次进入动态聚焦镜片组的至少二个聚焦镜并分别形成相应的焦点于工件的微孔加工区域;

S5.根据工件的微孔加工要求，动态聚焦镜片组中的至少二个聚焦镜可沿X方向移动，以调节焦点的数量;

S6.动态聚焦镜片组中的至少二个聚焦镜可沿Y方向调整相互之间的距离以调节相应焦点在工件微孔加工区域的相对位置，通过改变聚焦光斑直径及焦点位置以减小随微孔加工深度增加而造成的激光能量损失，进而完成工件的微孔加工;

其中，步骤S5与S6同时进行。

进一步的，所述激光加工系统包括激光器、反射镜、扩束镜、动态聚焦镜片组。

进一步的，所述动态聚焦镜片组包括至少二个聚焦镜；所述至少二个聚焦镜可分别沿X方向与Y方向移动，且各聚焦镜的各方向移动是相互独立的；所述动态聚焦镜片组的聚焦镜数量可根据工件厚度及微孔加工要求增减。

进一步的，所述X方向与激光束经扩束镜后的传递方向垂直；所述Y方向与激光束经扩束镜后的传递方向平行。

本发明的工作原理为：通过在聚焦装置中引入至少二个聚焦镜以实现动态调焦，可在材料的微孔加工区域形成多个焦点。与此同时，聚焦光斑的直径及焦距可通过调节各个聚焦镜之间的相对位置实现，以适应材料及微孔加工的多样化要求。例如，当微孔加工较浅时，可通过聚焦于材料表面的激光焦点去除材料，聚焦于材料内部的激光焦点预热材料，提高了加工效率；当微孔加工较深时，可通过调节聚焦镜的相对位置，将激光焦点下移，并根据实际情况调整聚焦光斑的直径，进行深孔加工，同时去除多余的材料，有利于提高微孔加工的深径比及加工质量。

本申请中，发明人通过大量的创造性劳动，使本申请的技术方案能够达到以下技术效果：1、通过在动态聚焦镜片组内布置至少二个聚焦镜，可在材料微孔加工区域形成多个焦点，有效降低微孔加工深度增大而造成的激光能量损失，有利于提高微孔加工深径比及加工效率；2、通过调节动态聚焦镜片组内至少二个聚焦镜的相对位置，可实现聚焦光斑直径与焦距可调，从而实现微孔的粗加工与精加工，可在提高微孔加工深径比的同时提高加工质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过引入至少二个聚焦镜在材料的微孔加工区域形成多个焦点，可动态调节至少二个聚焦镜的相对位置以实现聚焦光斑的直径及焦距可调，可在提高微孔加工效率的同时，提高可加工的微孔深径比及加工质量。

附图说明

图1为本发明涉及的加工装置结构示意图；

图2为本发明调整焦点数量的操作示意图；

图3为本发明调节焦距的操作示意图；

其中，1-激光器，2-激光束，3-反射镜，4-扩束镜，5-第一聚焦镜，6-第二聚焦镜，7-第三聚焦镜，8-微孔加工区域，9-工件，10-工作平台，11-第一焦点，12-第二焦点，13-第三焦点，14-动态聚焦镜片组。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，采用脉宽为290 fs、功率为10 W的超快激光器加工厚度为5 mm、孔径为200 μm的氮化硅陶瓷微孔。将所需加工的氮化硅陶瓷工件9表面研磨抛光，固定于工作平台10上，移动工作平台10使氮化硅陶瓷工件9位于激光加工系统的下方。激光加工前，开启激光加工系统使用第三聚焦镜7完成氮化硅陶瓷工件9表面的激光对焦后，关闭激光加工系统。激光加工时，先移动氮化硅陶瓷工件9并选定微孔加工区域8位于激光加工系统的动态聚焦镜片组14下方，再开启激光加工系统。同时将动态聚焦镜片组14的第二聚焦镜6沿X方向移出激光束经扩束镜4后的传递区域，通过移除第二焦点以调整焦点数量，从而在微孔加工区域8形成由第一聚焦镜5、第三聚焦镜7聚焦的第一焦点11与第三焦点13。第一焦点11与第三焦点13的能量分配为60%、40%，焦点光斑直径为70 μm、30 μm，焦点间距为2 mm，激光扫描速度为500 mm/s，频率为100 kHz，第一聚焦镜5、第三聚焦镜7以3μm/s的速度沿Y方向下移，以这种动态调整激光多焦点的方式加工得到氮化硅陶瓷微孔。

实施例2

本实施例提供一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，采用脉宽为10 ps、功率为20W的超快激光器加工厚度为3 mm、孔径为100 μm的氧化铝陶瓷微孔。将所需加工的氧化铝陶瓷工件9表面研磨抛光，固定于工作平台10上，移动工作平台10使氧化铝陶瓷工件9位于激光加工系统的下方。激光加工前，开启激光加工系统使用第三聚焦镜7完成氧化铝陶瓷工件9表面的激光对焦后，关闭激光加工系统。激光加工时，先移动氧化铝陶瓷工件9并选定微孔加工区域8位于激光加工系统的动态聚焦镜片组14下方，再开启激光加工系统。同时将动态聚焦镜片组14的第二聚焦镜6、第三聚焦镜7沿Y方向移动以调整在微孔加工区域8形成的由第一聚焦镜5、第二聚焦镜6、第三聚焦镜7聚焦的第一焦点11、第二焦点12、第三焦点13相互之间的距离。第一焦点11、第二焦点12、第三焦点13的能量分配为50%、30%、20%，焦点光斑直径为60 μm、40 μm、30 μm，焦点间距为0.5 mm，激光扫描速度为1000 mm/s，频率为100 kHz，第一聚焦镜5、第二聚焦镜6、第三聚焦镜7以9 μm/s的速度沿Y方向下移，以这种动态调整激光多焦点的方式加工得到氧化铝陶瓷微孔。

实施例3

本实施例提供一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，采用脉宽为290 fs、功率为10 W的超快激光器加工厚度为5 mm、孔径为200 μm的氮化硅陶瓷微孔。将所需加工的氮化硅陶瓷工件9表面研磨抛光，固定于工作平台10上，移动工作平台10使氮化硅陶瓷工件9位于激光加工系统的下方。激光加工前，开启激光加工系统使用第三聚焦镜7完成氮化硅陶瓷工件9表面的激光对焦后，关闭激光加工系统。激光加工时，先移动氮化硅陶瓷工件9并选定微孔加工区域8位于激光加工系统的动态聚焦镜片组14下方，再开启激光加工系统。同时将动态聚焦镜片组14的沿X方向移出激光束经扩束镜4后的传递区域，在微孔加工区域8形成由第一聚焦镜5、第三聚焦镜7聚焦的第一焦点11与第三焦点13。第一焦点11与第三焦点13的能量分配为60%、40%，焦点光斑直径为70 μm、30 μm，焦点间距为2 mm，激光扫描速度为500 mm/s，频率为100 kHz，第一聚焦镜5、第三聚焦镜7以3μm/s的速度沿Y方向下移，以这种动态调整激光多焦点的方式加工得到氮化硅陶瓷微孔。

实施例4

本实施例提供一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，采用脉宽为10 ps、功率为20W的超快激光器加工厚度为3 mm、孔径为100 μm的氧化铝陶瓷微孔。将所需加工的氧化铝陶瓷工件9表面研磨抛光，固定于工作平台10上，移动工作平台10使氧化铝陶瓷工件9位于激光加工系统的下方。激光加工前，开启激光加工系统使用第三聚焦镜7完成氧化铝陶瓷工件9表面的激光对焦后，关闭激光加工系统。激光加工时，先移动氧化铝陶瓷工件9并选定微孔加工区域8位于激光加工系统的动态聚焦镜片组14下方，再开启激光加工系统。同时将动态聚焦镜片组14的第三聚焦镜7沿Y方向移动以调整在微孔加工区域8形成的由第一聚焦镜5、第三聚焦镜7聚焦的第一焦点11、第三焦点13相互之间的距离。第一焦点11、第三焦点13的能量分配为50%、50%，焦点光斑直径为60 μm、30 μm，焦点间距为0.5 mm，激光扫描速度为1000 mm/s，频率为100 kHz，第一聚焦镜5、第三聚焦镜7以9 μm/s的速度沿Y方向下移，以这种动态调整激光多焦点的方式加工得到氧化铝陶瓷微孔。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。对于本发明中所有未详尽描述的技术细节，均可通过本领域任一现有技术实现。

Claims (4)

1.一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将所需加工的工件表面研磨抛光，固定于工作平台上，移动工作平台使工件位于激光加工系统的下方；

S2.激光加工前，开启激光加工系统完成工件表面的激光对焦后，关闭激光加工系统；

S3.激光加工时，先移动工件并选定微孔加工区域位于激光加工系统的动态聚焦镜片组下方，开启激光加工系统；

S4.由激光器发出激光束，经反射镜进入扩束镜，再依次进入动态聚焦镜片组的至少二个聚焦镜并分别形成相应的焦点于工件的微孔加工区域；

S5.根据工件的微孔加工要求，动态聚焦镜片组中的至少二个聚焦镜可沿X方向移动，以调节焦点的数量；

S6.动态聚焦镜片组中的至少二个聚焦镜可沿Y方向调整相互之间的距离以调节相应焦点在工件微孔加工区域的相对位置，通过改变聚焦光斑直径及焦点位置以减小随微孔加工深度增加而造成的激光能量损失，进而完成工件的微孔加工；

其中，步骤S5与S6同时进行。

2.根据权利要求1所述的一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，其特征在于，所述激光加工系统包括激光器、反射镜、扩束镜、动态聚焦镜片组。

3.根据权利要求1所述的一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，其特征在于，所述动态聚焦镜片组包括至少二个聚焦镜；所述至少二个聚焦镜可分别沿X方向与Y方向移动，且各聚焦镜的各方向移动是相互独立的；所述动态聚焦镜片组的聚焦镜数量可根据工件厚度及微孔加工要求增减。

4.根据权利要求1所述的一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法，其特征在于，所述X方向与激光束经扩束镜后的传递方向垂直；所述Y方向与激光束经扩束镜后的传递方向平行。