CN109158775A - 一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法，涉及特种加工中的激光加工领域；包括工件加工系统和控制系统：所述工件加工系统包括激光器、水槽、夹具和工件；所述激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上；所述工件水平放置并固定在夹具上；所述夹具设置在水槽底部；所述水槽内液体液面浸没工件下表面；所述控制系统包括计算机与运动控制卡，所述计算机控制激光器和运动控制卡，所述运动控制卡控制x‑y‑z三坐标工作台。与仅采用激光器进行加工相比，可显著降低小孔锥度，减少热损伤，提高小孔加工质量，并提高激光能量利用率。本发明装置简单，操作方便，属于特种加工中的激光加工领域。

Description

一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法

技术领域

本发明涉及特种加工中的激光加工领域，尤其涉及一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是一种以激光束为热源，采用热去除方法对材料进行分离的技术。与其他打孔技术相比，具有诸多优势，被广泛应用于加工金属材料、陶瓷材料以及高分子材料等领域，很好地满足了汽车工业、半导体工业、制表业以及医疗装置制造业等行业对某些关键零部件精密加工的要求。

在使用激光打孔技术加工上述关键零部件的通孔时，锥度是衡量孔的重要质量指标，锥度越大说明所加工的孔的质量越差。但是，采用传统的激光加工方法所加工的孔不可避免地存在较大的锥度。

国内外的研究人员对减小激光加工通孔锥度的方法进行了一定的研究，如将工件翻转180゜进行两次打孔的方法。首先，在空气中用激光在工件上加工通孔，然后通过可旋转夹具将形成通孔的工件旋转180゜，并使工件刚好浸在水中但不改变小孔的的x、y坐标,再利用激光诱导空化技术进行第二次打孔，从而去除多余部分的材料而改善孔锥度。在打孔过程中，必须保证工件的翻转精度，因此对装置所采用的气动夹具、移动平台及驱动电机的运动精度有极高的要求。还有一种方法是通过反射调节机构带着所述反射装置运动，使得被反射的激光束辐照在所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。在打孔过程中必须极精确的控制反射调节机构，且所述反射装置的镜面要求极高，需要均匀布满微结构，所述装置复杂且操作困难，而且一次只能加工一个小孔，效率较低。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种改善小孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法，以水作为介质，利用毛细现象及光的反射折射原理，可以明显的减小微孔锥度并提高小孔加工质量，装置简单，操作方便，成本较低，效率较高，同时为了进一步的提高加工的精度，通过增加超声波发生器产生的高频震动及孔内受热蒸发的液体可进一步的及时带出孔内产生的熔渣，从而起到改善孔壁质量的目的。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，包括工件加工系统和控制系统：所述工件加工系统包括激光器、水槽、夹具和工件；所述激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上；所述工件水平放置并固定在夹具上；所述夹具设置在水槽底部；所述水槽内液体液面浸没工件下表面；所述控制系统包括计算机与运动控制卡，所述计算机控制激光器和运动控制卡，所述运动控制卡控制x-y-z三坐标工作台。

进一步的，所述控制系统还包括超声发生器，超声发生器置于水槽内。

进一步的，所述超声发生器控制超声波震板；所述超声波震板位于工件下侧。

进一步的，所述超声波震板的上表面与工件的下表面之间间距不小于10mm。

进一步的，所述液体液面与工件下表面相切。

进一步的，所述工件厚度为0.2mm～3mm。

进一步的，所述激光器为皮秒激光器；皮秒激光器的脉冲频率0.2MHz～5MHz，激光波长1064nm，加工功率5W～20W。

一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔方法，包括以下步骤：

将抛光好的工件装夹到夹具上，夹具及超声波震板固定于水槽底部，水槽固定到x-y-z三坐标工作台上；

向水槽内加液体至其液面与工件下表面相切；

调整工作台位置并进行影像调节，使激光束聚焦到待加工工件表面的目标位置；

根据所加工材料性质、材料厚度、目标通孔的孔径大小设置激光器功率、重复频率、扫描速度参数；

将工作台移到加工中心，打开超声发生器，调节超声波震板震动强度，使工件下侧及周围的水面产生均匀稳定的波动；

打开激光器，开始加工；

加工完成后取下工件并检查加工效果；

调节超声波震板震动强度，或者改变工件下表面与液面接触程度，或者改变激光器加工参数，间接调控孔周和内壁上多余的材料的去除程度；

得到合适参数后进行大量孔的加工。

进一步的，所述工件被打穿后激光器继续出光2s～20s，激光束被反射或者折射到通孔的孔周和内壁，将孔周和内壁上多余的材料通过熔化或者气化消除。

本发明的技术优势和有益效果如下：

1.将工件通过夹具水平放置并固定于水槽中，水槽内液面与工件下表面相切，超声波震板位于水槽底部，使工件下侧及周围的液面产生均匀稳定的波动。所述激光器在工件上加工出带有锥度的通孔后，由于毛细现象部分液体会进入小孔，利用毛细现象与光的反射、折射原理，使被反射、折射的激光束辐照到所加工通孔的孔周和内壁上不同位置，从而逐步减小孔内锥度，在一次加工中实现了通孔加工、减小锥度两个过程。克服了现有技术中采用翻转装置将工件翻转进行两次加工的需要极高运动控制精度的问题，也克服了采用反射装置及反射调节机构进行加工的装置复杂、操作困难、效率低下的问题，简化了操作，降低了成本，提高了效率。

2.小孔内的水受热蒸发完后，激光束又照到小孔下侧的由于受热不均及高频震动而波动的水面，在水面再次发生复杂的反射、折射现象，使得被反射的激光束辐照在所述通孔的孔周和内壁上不同位置，从而再次减小了孔内锥度。

3.超声波发生器通过超声震动带动超声波震板高频震动及孔内受热蒸发的液体可以及时带出孔内产生的熔渣，同时，高频震动的液体和波动的液面可使小孔内的蒸发的液体快速得到补充，起到冷却作用，减小了孔壁处热损伤，提高了小孔加工质量。

4.通过运动控制卡控制x-y-z三坐标工作台的移动，从而得到阵列孔，提高了小孔加工效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2(a)为在加工出锥形通孔后产生毛细现象时的激光在空气与水相交界面的反射与折射路径示意图；

图2(b)为在加工出锥形通孔且小孔内液体被蒸发后时，激光在小孔下侧液面发生的向左反射与折射路径示意图；

图2(c)为在加工出锥形通孔且小孔内液体被蒸发后时，激光在小孔下侧液面发生的向右反射与折射路径示意图；

图3(a)为本发明图1中的夹具的主视图；

图3(b)为本发明图1中的夹具的俯视图。

附图中标号名称：

1.计算机；2.超声发生器；3.反射镜；4.激光器；5.聚焦透镜；6.激光束；7.工件；8.夹具；9.超声波震板；10.水槽；11.液体；12.x-y-z三坐标工作台；13.运动控制卡；14.通孔；15.液面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。

一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，包括工件加工系统和控制系统：所述工件加工系统包括激光器4、水槽10、夹具8和工件7；所述激光器4发出的激光束6经聚焦透镜5聚焦后辐照在工件7上；所述工件7水平放置并固定在夹具8上；所述夹具8设置在水槽10底部；所述水槽10内液体11液面浸没工件7下表面；所述控制系统包括计算机1与运动控制卡13，所述计算机1控制激光器4和运动控制卡13，所述运动控制卡13控制x-y-z三坐标工作台12。

如图1和图3(a)、(b)所示，一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，包括激光器1、水槽10、夹具8、工件7、超声波震板9及x-y-z三坐标工作台12。计算机1与激光器4、运动控制卡13相连，可以控制激光器4的加工参数，还可以把程序传输到运动控制卡13，进而控制x-y-z三坐标工作台12的运动。超声发生器2与超声波震板9相连，可以控制超声波震板9的震动强度。所述工件7水平放置并固定在夹具8上，夹具8和超声波震板9固定于水槽10底部，超声波震板9位于工件7下侧，水槽10内液体11液面与工件7下表面相切，超声波震板9产生高频震动，使工件7下侧及周围的液面产生均匀稳定的波动。

如图2(a)所示，所述激光器4在工件7上加工出带有锥度的通孔14后，由于毛细现象部分液体会进入通孔14，激光束6辐照在通孔14内的液面15上，在空气与水相交界面发生复杂的反射、折射现象，使得被反射的激光束辐照在所述通孔14的孔周和内壁上不同位置，逐渐减小通孔锥度；如图2(b)(c)所示，通孔14内的水受热蒸发完后，激光束6又照到通孔14下侧的由于受热不均匀及高频震动而波动的液面15，再次发生复杂的反射、折射现象，使得被反射的激光束辐照在所述通孔14的孔周和内壁上不同位置，从而再次减小通孔锥度。通孔14内液体的受热蒸发和由于超声波震板9引起的高频震动的液体可以及时带走孔内产生的熔渣，同时，高频震动的液体和波动的水面可使小孔内的蒸发的液体快速得到补充。以上过程循环进行，直至加工出满足锥度要求的小孔。由于液体的冷却作用，在减小通孔锥度的同时又减少了孔壁处的热损伤，提高了通孔14的加工质量。超声波震板9产生高频震动，使工件7下侧及周围的液面产生均匀稳定的波动；所述液面15的波动可以通过震动、吹气或搅拌等方式产生。所述的液体11可以为纯水或水溶液等透明液体。所述的在工件7上加工的小孔14直径介于20μm～500μm之间。

本发明的具体实施方法如下：

本发明采用的工件7是40mm×15mm×0.8mm的钛合金金属板，使用前进行研磨→抛光→除油→水洗的处理；

将抛光好的工件7装夹到夹具8上，夹具8及超声波震板9固定于水槽10底部，水槽10内超声波震板9的上表面与工件7的下表面之间间距大于10mm，水槽10固定到x-y-z三坐标工作台12上。本实施例所采用水槽10大小为250mm×120mm×100mm，超声波震板9上表面与工件7下表面之间间距介于20mm～30mm之间；

向水槽10内加液体11至其液面15与工件7下表面相切；

连接计算机1与激光器4、计算机1与运动控制卡13、运动控制卡13与x-y-z三坐标工作台12、超声发生器1与超声波震板9；

调整x-y-z三坐标工作台12位置并进行影像调节，使激光束6聚焦到待加工工件7表面的目标位置；

根据所加工材料性质、材料厚度、目标通孔的孔径大小等设置激光器功率、重复频率、扫描速度等参数；

将x-y-z工作台12移到加工中心，打开超声发生器2，调节超声波震板9震动强度，使工件7下侧及周围的水面产生均匀稳定的波动；

打开光激光器4，开始加工；

加工完成后取下工件7并检查加工效果；

调节超声波震板9震动强度，或改变工件7下表面与液面接触程度，或改变激光器4加工参数，间接调控孔周和内壁上多余的材料的去除程度；

得到合适参数后通过运动控制卡13控制x-y-z三坐标工作台12移动从而进行大量孔的加工进行大量孔的加工。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，包括工件加工系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光器(4)、水槽(10)、夹具(8)和工件(7)；所述激光器(4)发出的激光束(6)经聚焦透镜(5)聚焦后辐照在工件(7)上；所述工件(7)水平放置并固定在夹具(8)上；所述夹具(8)设置在水槽(10)底部；所述水槽(10)内液体(11)液面不低于工件(7)下表面；所述控制系统包括计算机(1)与运动控制卡(13)，所述计算机(1)控制激光器(4)和运动控制卡(13)，所述运动控制卡(13)控制x-y-z三坐标工作台(12)。

2.根据权利要求1所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述控制系统还包括超声发生器(2)，超声发生器(2)置于水槽(10)内。

3.根据权利要求2所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述超声发生器(2)控制超声波震板(9)；所述超声波震板(9)位于工件(7)下侧。

4.根据权利要求3所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述超声波震板(9)的上表面与工件(7)的下表面之间间距不小于10mm。

5.根据权利要求1所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述液体(11)的液面浸没工件(7)下表面，且不超过工件(7)上表面。

6.根据权利要求5所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述液体(11)液面与工件(7)下表面相切。

7.根据权利要求1所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述工件(7)厚度为0.2mm～3mm。

8.根据权利要求1所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，其特征在于，所述激光器(4)为皮秒脉冲激光器；皮秒激光器的脉冲频率0.2MHz～5MHz，激光波长1064nm，加工功率5W～20W。

9.一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔方法，其特征在于，包括以下步骤：

将抛光好的工件(7)装夹到夹具(8)上，夹具(8)及超声波震板(9)固定于水槽(10)底部，水槽(10)固定到x-y-z三坐标工作台(12)上；

向水槽(10)内加液体(11)至其液面与工件(7)下表面相切；

调整工作台(12)位置并进行影像调节，使激光束(6)聚焦到待加工工件(7)表面的目标位置；

根据所加工材料性质、材料厚度、目标通孔的孔径大小设置激光器功率、重复频率、扫描速度参数；

将工作台(12)移到加工中心，打开超声发生器(2)，调节超声波震板(9)震动强度，使工件(7)下侧及周围的水面产生均匀稳定的波动；

打开激光器(4)，开始加工；

加工完成后取下工件(7)并检查加工效果；

调节超声波震板(9)震动强度，或者改变工件(7)下表面与液面接触程度，或者改变激光器(4)加工参数，间接调控内壁上多余的材料的去除程度；

得到合适参数后通过运动控制卡(13)控制x-y-z三坐标工作台(12)移动从而进行大量孔的加工。

10.根据权利要求9所述的改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔方法，其特征在于，所述工件(7)被打穿后激光器(4)继续发出激光束(6)2s～20s，使激光束(6)被反射或者折射到通孔(14)的内壁，将内壁上多余的材料通过熔化或者气化消除。