CN109396666B - 一种激光钻孔装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光钻孔装置及其方法，所述激光钻孔装置包括：激光器、用于接收所述激光器发出光束的旋切系统、与所述旋切系统连接的驱动件；所述旋切系统用于改变光束照射待钻物的照射角度，所述驱动件用于使光束绕旋转轴旋转，所述旋转轴不与光束的中心轴线重合。结合光束照射待钻物的照射角度、光束绕旋转轴旋转的角度的特点进行一层一层钻孔，能实现三维复杂构件的钻孔和微加工，解决了钻孔的上下孔径差大、锥度大的问题。且超高峰值功率和超窄脉宽有效提高材料去除效率，并具有冷加工的效果，减少热作用对陶瓷绝缘性能的影响。

Description

一种激光钻孔装置及其方法

技术领域

本发明涉及钻孔技术领域，尤其涉及的是一种激光钻孔装置及其方法。

背景技术

陶瓷钻孔主要有CNC机械钻孔和激光钻孔两类方法。传统的CNC机械钻孔速度较慢、精度低、钻头直径较大，已不适合高精密微孔加工需求。激光钻孔设备。现有技术中，激光钻孔存在上下孔径差较大、锥度大的问题，常需要采用覆压涂层的方法辅助氮化铝表面的烧蚀，且有一定发黑现象。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光钻孔装置及其方法，旨在解决现有技术中激光钻孔存在上下孔径差较大、锥度大的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种激光钻孔装置，其中，包括：激光器、用于接收所述激光器发出光束的旋切系统、与所述旋切系统连接的驱动件；所述旋切系统用于改变光束照射待钻物的照射角度，所述驱动件用于使光束绕旋转轴旋转，所述旋转轴不与光束的中心轴线重合。

所述的激光钻孔装置，其中，所述旋切系统包括：依次设置的第一声光偏转器、第二声光偏转器以及旋转镜组件；所述第一声光偏转器与所述第二声光偏转器的偏转平面相互正交，所述驱动件与所述旋转镜组件连接并用于驱动所述旋转镜组件转动使光束绕旋转轴旋转。

所述的激光钻孔装置，其中，所述旋转镜组件包括：依次设置的第一棱镜和第二棱镜；所述第一棱镜、所述第二棱镜分别与水平面呈预设角度。

所述的激光钻孔装置，其中，其还包括：位于所述激光器和所述旋切系统之间的分束装置、位于所述旋切系统的出光方向上并与所述旋切系统连接的振镜以及与所述振镜连接的场镜，所述分束装置包括：位于所述激光器出光方向上的一级分束镜，用于接收所述一级分束镜的反射光、透射光的二级分束镜，用于接收所述二级分束镜的反射光、透射光的扩束组件；所述旋切系统为多个，且各所述扩束组件与多个所述旋切系统一一对应。

所述的激光钻孔装置，其中，所述一级分束镜的反射光与透射光一致，所述二级分束镜的反射光与透射光一致。

所述的激光钻孔装置，其中，所述扩束组件与所述旋切系统之间设置有第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜的透射方向上设置有光电传感器，所述第一反射镜用于将扩束组件的光反射至所述第二反射镜且透射至所述光电传感器，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光反射至对应的所述旋切系统，所述光电传感器用于检测第一反射镜的透射光的功率。

所述的激光钻孔装置，其中，所述扩束组件包括：依次设置的声光调制器和扩束镜；所述声光调制器用于控制光束的通断且调节光束的功率，所述扩束镜用于扩束和调节光束的发散角。

所述的激光钻孔装置，其中，所述扩束组件还包括：位于所述扩束镜的出光方向上的电动衰减器，所述电动衰减器用于调节光束的功率。

所述的激光钻孔装置，其中，所述激光器为红外激光器或紫外激光器；所述激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。

一种激光钻孔方法，其中，其基于如上述任意一项所述的激光钻孔装置，并包括如下步骤：

根据待钻孔的曲率半径设置光束绕旋转轴旋转的角度；

根据待钻孔的形状设置光束的照射角度，并依层次进行钻孔。

有益效果：结合光束照射待钻物的照射角度、光束绕旋转轴旋转的角度的特点进行一层一层钻孔，能实现三维复杂构件的钻孔和微加工，解决了钻孔的上下孔径差大、锥度大的问题。且超高峰值功率和超窄脉宽有效提高材料去除效率，并具有冷加工的效果，减少热作用对陶瓷绝缘性能的影响。

附图说明

图1是本发明中激光钻孔装置的结构示意图。

图2是本发明中第一声光偏转器和第二声光偏转器结构示意图。

图3是本发明中旋转组件的结构示意图。

图4是本发明中光束旋转的原理图。

图5是本发明中加工圆柱孔的第一原理图。

图6是本发明中加工圆柱孔的第二原理图。

图7是本发明中加工圆台孔的原理图。

图8是本发明中圆台孔的结构示意图。

图9是本发明中加工上下孔径大，而中间孔径小的异型孔的原理图。

图10是本发明中上下孔径大，而中间孔径小的异型孔的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图10，本发明提供了一种激光钻孔装置的一些较佳实施例。图1和图3中的箭头为光束11的传播方向，图2中空心箭头为坐标轴方向，实心箭头为光束11的传播方向，图4-6、图9中的箭头为光束旋转方向。本较佳实施例中的待钻物1为碳化硅、氮化镓、氮化铝等硬脆性材料，当然还可以是其它可以采用激光加工的材料。

如图1-图4所示，本发明的激光钻孔装置，包括：激光器10、用于接收所述激光器10发出光束11的旋切系统20、与所述旋切系统20连接的驱动件（图中未示出）；所述旋切系统20用于改变光束11照射待钻物1的照射角度，所述驱动件用于使光束11绕旋转轴13旋转，所述旋转轴13不与光束11的中心轴线12重合。

具体地，采用如下步骤进行钻孔：

步骤S100、根据待钻孔2的曲率半径设置光束11绕旋转轴13旋转的角度。

步骤S200、根据待钻孔2的形状设置光束11的照射角度，并依层次进行钻孔。

值得说明的是，通常激光能量分布呈高斯模式，光束11的端部近似为圆锥形，由于圆锥的中心轴线12不与旋转轴13重合，例如，两者之间呈一角度θ，因此，当光束11不绕着旋转轴13旋转时，光束11打在待钻物1上，会形成一个圆锥形孔，也就是说，孔的上孔径大于下孔径，锥度较大且圆度较差；当光束11绕旋转轴13转动时，会形成圆环形路径或圆形路径，光束11沿着这种圆环形路径或圆形路径所钻的孔的锥度较小，所钻的孔的圆度较好。

光束11具体是形成圆环形路径还是圆形路径，取决于光斑的直径和θ有关，由于光束11尽管很小，但打在待钻物1上，会形成光斑而不是形成一个点。当光束11不转动时，则形成光斑大小的孔；当θ较小时，也就是说，光斑沿圆的轨迹移动，这个圆的直径较小（小于光斑的直径），则会形成圆形路径，即形成圆形大小的孔；当θ较大时，光斑沿圆的轨迹移动，这个圆的直径较小（大于光斑的直径），则会形成圆环形路径，即形成圆环形孔，圆环形孔的宽度为光斑的直径。

而且在实际加工过程中，待钻孔2并不一定是竖直孔，而是具有一定倾斜角度的孔。当然，本发明中光束11并非一定是垂直于待钻物1的，通过旋切系统20改变光束11的照射角度，光束11与待钻物1有一定的夹角，因此，可以根据待钻孔2的形状调节光束11的与待钻物1的夹角，得到符合要求的孔，可以形成圆柱孔，异型孔等等。例如，如图5和图6所示的圆柱孔。如图7和图8所示的圆台孔，圆台孔属于异型孔之一。

由于本发明中是一层一层进行钻孔的，也就是说，在孔的径向上，孔径也可以根据需要调整。例如，如图9和图10所示，可以形成上下孔径大，而中间孔径小的异型孔。本实施例中，最大径深比可达15:1，最小加工孔径可达40μm。

结合光束11照射待钻物1的照射角度、光束11绕旋转轴13旋转的角度以及一层一层钻孔的特点，能实现三维复杂构件的钻孔和微加工。且超高峰值功率和超窄脉宽有效提高材料去除效率，并具有冷加工的效果，减少热作用对氮化铝陶瓷绝缘性能的影响。

在本发明的一个较佳实施例中，如图2所示，所述旋切系统20包括：依次设置的第一声光偏转器21、第二声光偏转器22以及旋转镜组件23；所述第一声光偏转器21与所述第二声光偏转器22的偏转平面相互正交，所述驱动件与所述旋转镜组件23连接并用于驱动所述旋转镜组件23转动使光束11绕旋转轴13旋转。

具体地，如图2所示，以激光器10的出光方向为竖直方向为例进行说明，第一声光偏转器21、第二声光偏转器22以及旋转镜组件23沿竖直方向依次设置。激光器10的出光方向为Z轴方向（具体地，激光器10的出光方向为为-Z轴方向），设定第一声光偏转器21的偏转方向为Y轴方向，第二声光偏转器22的偏转方向为X轴方向，则激光器10发出的光束11在经过第一声光偏转器21后，光束11在Y轴和Z轴形成的面上发生第一次偏移，此时，如图2所示，第一次偏移的光束与Z轴的夹角为α（也即与XZ平面的夹角为α）。第一声光偏转器21发出的光束11（即第一次偏移的光束）在经过第二声光偏转器22后，光束11发生第二次偏移，此时，第二次偏移的光束与第一次偏移的光束的延长线的夹角为β。

因此，沿Z轴的发出光束11在经过第一声光偏转器21、第二声光偏转器22后，光束11与Z轴之间的夹角γ₀（可以分解为α和β），通过调整α和β可以改变γ₀，得到光束11与XY平面的夹角呈现出任意角度。具体地，调节声光偏转器中超声波频率可以改变声光介质对光束11的偏转角度，通过第一声光偏转器21和第二声光偏转器22的配合可以使光束11与XY平面具有任意一夹角，当然在钻孔时，这一夹角通常为30-90°。

当然这里的α和β，可以换算成光束11在XY平面内的坐标，也即，（α，β）转换为（x，y），通过调节α和β的大小，可以光束11可以落在XY平面上任意一点。

通过驱动件驱动旋转镜组件23转动，实现光束11绕旋转轴13旋转。在本发明的一个较佳实施例中，如图3所示，所述旋转镜组件23包括：依次设置的第一棱镜231和第二棱镜232；所述第一棱镜231、所述第二棱镜232分别与水平面呈预设角度。光束11在经过第一棱镜231后，光束11与Z轴的夹角变为γ₁（当然也可以记为（α₁，β₁）），光束11在经过第二棱镜232后，光束11与Z轴的夹角变为γ₂（当然也可以记为（α₂，β₂））。只要确定XYZ坐标后，为了使光束11具有特定角度且在以θ角旋转，通过计算光束11的坐标，可以推算出α、β、α₁、β₁、α₂以及β₂，从而可以设置各部件的参数。当然，旋转组件的旋转速度决定了光束11的旋转速度。

具体地，第一棱镜231和第二棱镜232的距离（记为d），θ与α₁、β₁、α₂、β₂以及d有关。可以将第一棱镜231和第二棱镜232一起转动，也可以仅转动其中一个。在仅转动第一棱镜231时，通过调节第一棱镜231和第二棱镜232在竖直方向上的距离可以改变圆环形路径或圆形路径所在圆的直径，也即改变θ的大小。当第一棱镜231和第二棱镜232的距离增大时，θ增大；当第一棱镜231和第二棱镜232的距离减小时，θ减小。

可以根据待钻孔2的形状改变这个圆的直径大小，也就是说当待钻孔2的曲率半径较小时，可以采用较小的θ，当然也可以采用较小的光斑，以满足待钻孔2的对圆度或形状的需求；当待钻孔2的曲率半径较大时，可以采用较大的θ，当然也可以采用较大的光斑。例如，待钻孔2为椭圆形孔，可以根据椭圆形孔不同的曲率半径选用不同的θ。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，为了提高加工效率，将激光器10的光束11分为多束，本实施例中将激光器10发出的光束11分为4束，具体地，先采用一级分束镜31将光束11均分为2束，再将每束通过二级分束镜（32a，32b）均分为2束，一共形成4束。所述的激光钻孔装置还包括：位于所述激光器10和所述旋切系统20之间的分束装置、位于所述旋切系统20的出光方向上并与所述旋切系统20连接的振镜以及与所述振镜连接的场镜，所述分束装置包括：位于所述激光器10出光方向上的一级分束镜31，用于接收所述一级分束镜31的反射光、透射光的二级分束镜（分别记为第一二级分束镜32a、第二二级分束镜32b），用于接收所述二级分束镜（32a，32b）的反射光、透射光的扩束组件（33a，33b，33c，33d）；具体地，扩束组件有四个（分别记为第一扩束组件33a、第二扩束组件33b、第三扩束组件33c以及第四扩束组件33d），第一扩束组件33a接收依次经过一级分束镜31和第一二级分束镜32a反射的光束11，第二扩束组件33b接收经过一级分束镜31反射且第一二级分束镜32a透射的光束11，第三扩束组件33c接收一级分束镜31透射且第二二级分束镜32b反射的光束11，第四扩束组件33d接收依次经过一级分束镜31和第二二级分束镜32b透射的光束11。

所述旋切系统20为多个，且各所述扩束组件与多个所述旋切系统20一一对应，因此，旋切系统20有四个，分别对应于各扩束组件。当然，为了确保每个光路的光束11是一致的，所述一级分束镜31的反射光与透射光一致，所述二级分束镜的反射光与透射光一致。

为了便于控制光束11的传播方向，可以采用反射镜改变光束11的传播方向。例如，在一级分束镜31和第一二级分束镜32a之间设置第三反射镜37，用于将一级分束镜31的反射光反射至第一二级分束镜32a。在第一二级分束镜32a与第二扩束组件33b之间设置38，用于将第一二级分束镜32a的透射光反射至第二扩束组件33b。在第二二级分束镜32b与第四扩束组件33d之间设置第五反射镜39，用于将第二二级分束镜32b的透射光反射至第四扩束组件33d。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，为了进一步确保各光路打在待钻物1上的光束11的一致性，所述扩束组件与所述旋切系统20之间设置有第一反射镜34和第二反射镜35，所述第一反射镜34的透射方向上设置有光电传感器36，所述第一反射镜34用于将扩束组件的光束11反射至所述第二反射镜35且透射至所述光电传感器36，所述第二反射镜35用于将所述第一反射镜34反射的光束11反射至对应的所述旋切系统20，所述光电传感器36用于检测第一反射镜34的透射光的功率。

具体地，这里的第一反射镜34与第二反射镜35、第三反射镜37、第四反射镜38、第五反射镜39不相同，第一反射镜34除了并非完全反射光束11，而是有部分光束11透过第一反射镜34而被光电传感器36检测到。第二反射镜35、第三反射镜37、第四反射镜38以及第五反射镜39均相同，完全反射光束11。

每条光路上均设置有光电传感器36，共4个光电传感器36，检测第一反射镜34的透射光的功率，从而获得各光路上光束11的功率的大小，便于调整各光路上的光束11的功率，确保各光路上的光束11的功率与预设功率一致。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，所述扩束组件包括：依次设置的声光调制器（AOM）331和扩束镜332；所述声光调制器331用于控制光束11的通断且调节光束11的功率，所述扩束镜332用于扩束和调节光束11的发散角。具体地，每个光路上均设置有声光调制器331，可以控制每个光路上光束11的通断，使得各光路既可以单独使用，也可以一起使用。根据各光路上的光电传感器36检测的光束11的功率，调节声光调制器331改变光束11的功率，使得各光路上的光束11的功率与预设功率一致。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，为了进一步对光束11的功率进行调节，所述扩束组件还包括：位于所述扩束镜332的出光方向上的电动衰减器333，所述电动衰减器333用于调节光束11的功率。具体地，在通过声光调制器331进行初步调整的基础上，设置电动衰减器333，对扩束镜332射出的光束11的功率进行进一步调整。

在本发明的一个较佳实施例中，所述激光器10为红外激光器10或紫外激光器10；所述激光器10为皮秒激光器10或飞秒激光器10。较佳的，采用红外飞秒激光器10或紫外飞秒器，可以获得更好的加工效果，效率更高。

本发明还提供了一种激光钻孔方法的较佳实施例：

本发明实施例的激光钻孔方法，包括以下步骤：

步骤S100、根据待钻孔2的曲率半径设置光束11绕旋转轴13旋转的角度。

在本方案中，具体如上所述。

步骤S200、根据待钻孔2的形状设置光束11的照射角度，并依层次进行钻孔，具体如上所述。

具体地，加工完一层后，将待钻物1沿Z轴方向升起，或者将激光钻孔装置降下，便于进行下一层钻孔。

综上所述，本发明所提供的一种激光钻孔装置及其方法，所述激光钻孔装置包括：激光器、用于接收所述激光器发出光束的旋切系统、与所述旋切系统连接的驱动件；所述旋切系统用于改变光束照射待钻物的照射角度，所述驱动件用于使光束绕旋转轴旋转，所述旋转轴不与光束的中心轴线重合。结合光束照射待钻物的照射角度、光束绕旋转轴旋转的角度的特点进行一层一层钻孔，能实现三维复杂构件的钻孔和微加工，解决了钻孔的上下孔径差大、锥度大的问题。且超高峰值功率和超窄脉宽有效提高材料去除效率，并具有冷加工的效果，减少热作用对陶瓷绝缘性能的影响。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种激光钻孔装置，其特征在于，包括：激光器、用于接收所述激光器发出光束的旋切系统、与所述旋切系统连接的驱动件；所述旋切系统用于改变光束照射待钻物的照射角度，所述驱动件用于使光束绕旋转轴旋转，所述旋转轴不与光束的中心轴线重合；所述旋切系统包括：依次设置的第一声光偏转器、第二声光偏转器以及旋转镜组件；所述第一声光偏转器与所述第二声光偏转器的偏转平面相互正交，所述驱动件与所述旋转镜组件连接并用于驱动所述旋转镜组件转动使光束绕旋转轴旋转；所述旋转镜组件包括：依次设置的第一棱镜和第二棱镜；所述第一棱镜、所述第二棱镜分别与水平面呈预设角度；通过调节第一声光偏转器和第二声光偏转器中超声波频率可改变声光介质对光束的偏转角度； 所述激光钻孔装置还包括：位于所述激光器和所述旋切系统之间的分束装置、位于所述旋切系统的出光方向上并与所述旋切系统连接的振镜以及与所述振镜连接的场镜，所述分束装置包括：位于所述激光器出光方向上的一级分束镜，用于接收所述一级分束镜的反射光、透射光的二级分束镜，用于接收所述二级分束镜的反射光、透射光的扩束组件；所述旋切系统为多个，且各所述扩束组件与多个所述旋切系统一一对应；所述扩束组件与所述旋切系统之间设置有第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜的透射方向上设置有光电传感器，所述第一反射镜用于将扩束组件的光反射至所述第二反射镜且透射至所述光电传感器，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光反射至对应的所述旋切系统，所述光电传感器用于检测第一反射镜的透射光的功率；所述扩束组件包括：依次设置的声光调制器和扩束镜；所述声光调制器用于控制光束的通断且调节光束的功率，所述扩束镜用于扩束和调节光束的发散角；所述扩束组件还包括：位于所述扩束镜的出光方向上的电动衰减器，所述电动衰减器用于调节光束的功率。

2.根据权利要求1所述的激光钻孔装置，其特征在于，所述激光器为红外激光器或紫外激光器；所述激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。

3.一种激光钻孔方法，其特征在于，其基于如权利要求1-2任意一项所述的激光钻孔装置，并包括如下步骤：

根据待钻孔的曲率半径设置光束绕旋转轴旋转的角度；

根据待钻孔的形状设置光束的照射角度，并依层次进行钻孔。

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