CN109773355A - 一种激光加工方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工方法与装置。该方法首先采用气体辅助的激光加工技术，在待加工位置得到直径小于待加工的目标孔直径的通孔；然后采用液体辅助的激光加工技术，在该通孔基础上进一步加工得到目标孔。与单一的气体辅助或者单一的液体辅助激光加工技术相比，本发明具备热影响区小、加工质量好、加工效率高等优点。本发明的加工装置体积小，只要将工件在装置上装夹一次，通过气体通断开关和液体通断开关的控制，就可实现气体辅助激光加工和液体辅助激光加工的快速切换，因此操作方便，工序少，能够缩减加工时间，提高加工精度和效率。

Description

一种激光加工方法与装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工方法与装置。

背景技术

激光加工利用激光束对材料进行微细加工、切割、焊接及打孔等，应用日益广泛。

常规的脉冲激光加工常常产生溅射、熔渣、热影响区、微裂纹等缺陷，影响了常规脉冲激光器在高端激光微细加工领域的应用，因此激光微细加工一般采用短脉冲激光如纳秒激光，或超短脉冲激光如皮秒激光和飞秒激光等配合高速扫描振镜进行加工。超短脉冲激光加工的质量好，但脉冲能量小，加工效率低，且随着深度的增加存在着热累积的问题。纳秒激光脉冲能量大，具有加工效率高的优点，但仍然存在着10um～20um左右的加工热影响区。另外，激光加工时飞溅出的高速、高温杂质会与扫描振镜的镜头碰撞并污染镜片，有可能引起镜片损坏。

将水和纳秒激光结合起来，即水助纳秒激光加工，在一定的工艺窗口下，可以实现零热影响区的加工，同时加工效率远高于超短脉冲激光加工。但试验中也发现，随着孔深度的增加，水助激光加工效率大幅下降，例如，水助激光加工1mm深的孔只需要10秒钟，加工2mm深的孔则需要1分钟，加工3mm深的孔则需要10分钟。如图1所示，这是由于水助激光的水流30存在停滞区26，并且由于水的阻力远大于空气阻力，因此当所加工的孔28未打穿时，激光加工产生的杂质和残渣无法有效克服水的阻力排除，从而导致液体辅助激光加工时随着孔深度的增加，加工效率大幅下降的问题。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种激光加工方法，具有热影响区小、加工质量好、加工效率高等优点。

为了实现上述技术目的，本发明人通过大量实验探索后采用气体辅助和液体辅助复合的激光加工技术，具体如下：

一种激光加工方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)采用气体辅助的激光加工技术，在待加工位置得到通孔，所述通孔直径小于待加工的目标孔的直径；

(2)采用液体辅助的激光加工技术，在步骤(1)制得的通孔基础上进一步进行激光加工，将所述通孔加工为目标孔。

所述气体辅助的激光加工技术是指在激光加工过程中采用辅助气体，用于吹走激光加工过程中产生的飞溅物，同时降低激光加工区温度。作为优选，采用同轴气体辅助的激光加工技术，即，辅助气体的气流束与激光束同轴，并且该气流束直径大于激光束聚焦点直径；作为进一步优选，气流束与激光束同轴，并且气流束位于激光束外围。

所述液体辅助的激光加工技术是指在激光加工过程中采用辅助液体，用于去除激光加工产生的热影响区。作为优选，采用同轴液体辅助的激光加工技术，即，液体流与激光束同轴，并且液体流直径大于激光束聚焦点直径；作为进一步优选，液体流与激光束同轴，并且液体流位于激光束外围。

作为优选，所述通孔的直径小于目标孔的直径0.1mm～1mm。

由于液体和空气对光的折射率不同，因此所述步骤(1)采用气体辅助方法进行激光加工时的激光聚焦点与步骤(2)中采用液体辅助方法进行激光加工时的激光聚焦点存在位置差异，因此作为优选，在所述步骤(2)之前，首先对工件位置进行调整，以使激光在步骤(2)中的聚焦点位于工件待加工区域。

所述的辅助气体不限，包括压缩空气、氮气、氦气、氩气等中的一种或者几种的混合。

所述的辅助液体不限，包括去离子水、纯净水、蒸馏水、自来水、氯化钠溶液等中的一种或者几种的混合。

作为优选，所述玻璃为高透光石英玻璃。

本发明还提供一种实现上述激光加工方法的装置，包括激光加工头、辅助气体供应系统，以及辅助液体供应系统；

激光加工头内部设置透光玻璃，激光束通过透光玻璃进入激光加工头，通过激光加工头的喷嘴射出到工件上；

辅助气体供应系统包括设置在激光加工头内部的至少一条气体通道，位于激光加工头外部的气体管道和气体通断开关；气体通断开关打开，辅助气体通过气体管道进入激光加工头内部的至少一条气体通道，然后从激光加工头的喷嘴位置流出；

辅助液体供应系统包括设置在激光加工头内部的液体通道，位于加工头外部的液体管道和液体通断开关；液体通断开关打开，辅助液体通过液体管道进入激光加工头内部的液体通道，然后从激光加工头的喷嘴位置流出；

作为优选，所述的激光加工头还设置气体接口，所述的气体管道通过该气体接口与气体通道相连。

作为优选，所述的激光加工头还设置液体接口，所述的液体管道通过液体接口与液体通道相连。

作为一种实现方式，所述气体通道与液体通道相连通。

作为一种实现方式，所述气体管道与液体管道相连通。

作为一种实现方式，所述的激光加工头由上腔体和下腔体组成，二者连接在一起构成完整的激光加工头。作为优选，所述气体通道与液体通道位于上腔体，所述喷嘴位于下腔体。作为进一步优选，所述的透光玻璃固定在上腔体上。所述连接方法不限，可以通过螺纹连接在一起，或者通过法兰螺栓固定在一起等。所述的透光玻璃固定在上腔体上。

作为优选，所述透光玻璃的面向喷嘴的表面呈凸出结构，以避免液体通过喷嘴时气泡在透光玻璃处积聚，并且可以避免气体通过喷嘴时水滴在透光玻璃处积聚，从而保证激光传输的光路通畅，降低能量损失。

作为优选，所述装置还包括扫描系统，激光束经所述扫描系统改变路径并聚焦后进入所述激光加工头。作为一种实现方式，所述扫描系统包括用于改变激光束路径的扫描振镜，以及用于激光束聚焦的场镜。作为优选，所述扫描振镜的内部设置至少两个振镜片，用于控制激光束在至少X、Y两个方向运动。

作为优选，还设置工件运载机构，用于带动工件在X、Y、Z方向的直线运动，从而调节工件在X、Y、Z方向的位置。进一步优选，所述工件运载机构还可带动工件进行旋转运动。

本发明采用气体辅助和液体辅助复合的激光加工方法，具有如下有益效果：

(1)本发明首先采用气体辅助的激光加工技术，然后采用液体辅助激光加工技术。通过气体辅助的激光加工技术可以快速地形成有热影响区并且直径小于目标孔直径的通孔，即，该孔被打穿，在后续液体辅助激光加工时成为液体和杂质排出的通道，因此能够有效提高后续液体辅助激光加工的加工效率，同时可以避免激光加工时飞溅出的杂质污染、损坏扫描振镜的镜头。并且，通过液体辅助激光加工技术可以有效去除气体辅助激光加工时产生的热影响区，并最终精确地加工得到目标孔所要求的尺寸。

(2)相对于单一的气体辅助激光加工技术与单一的液体辅助激光加工技术，本发明具备热影响区小、加工质量好、加工效率高等优点。

(3)本发明的加工装置具有体积小、操作方便的特点，只要将工件在装置上装夹一次，通过气体通断开关和液体通断开关的控制，就可实现气体辅助激光加工和液体辅助激光加工的快速切换，因此能够避免工件二次装夹后的空间定位和位置校正，有益于减少加工工序，缩减加工时间，提高加工精度和效率。

(4)本发明的加工装置的加工质量和超短脉冲激光相当，加工效率和加工深度能力优于超短脉冲激光加工，因此可同时实现纳秒激光大深度、高效率的三维加工。

附图说明

图1是水助激光加工在孔未打穿时存在着停滞区示意图。

图2是本发明实施例1中的激光加工装置结构示意图。

图3是本发明实施例1中的激光加工示意图。

图4是本发明实施例1中激光加工的效果图。

图5是本发明实施例2中的激光加工装置结构示意图。

图1，2，3、5中的附图标记为：1-扫描振镜；2-场镜；3-激光束；4-工件；5-接口；6-管道；7-辅助气体；8-辅助液体；9-气体通断电磁阀；10-液体通断电磁阀；11-气体管道；12-液体管道；13-气体接口；14-液体接口；15-激光复合加工头；16-高透光石英玻璃；17-上腔体；18-下腔体；19-加工头内部气体通道；20-加工头内部液体通道；21-加工头内部通道；22-气体辅助激光粗加工得到的通孔；23-热影响区；24-液体辅助激光精加工得到的目标孔，25-喷嘴25，26-停滞区，27-自由射流区域，28-激光加工的深孔，29-近壁面区域，30-水流。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，激光加工装置结构如图2所示，包括激光加工头15、辅助气体供应系统、辅助液体供应系统以及扫描系统。

扫描系统包括用于改变激光束3路径的扫描振镜1，以及用于激光束3聚焦的场镜2。扫描振镜的内部设置至少两个振镜片，用于控制激光束在至少X、Y两个方向运动。

激光加工头15内部设置高透光石英玻璃16，激光束3通过高透光石英玻璃16进入激光加工头15，通过激光加工头15的喷嘴25射出到工件4上。

辅助气体供应系统包括设置在激光加工头15内部的至少一条气体通道19，位于加工头15外部的气体管道11和气体通断电磁阀9。气体通断电磁阀9用于控制外部气体进入气体通道19。气体通断电磁阀9打开，气体7通过气体管道11进入激光加工头15内部的至少一条气体通道19，然后从激光加工头15的喷嘴25位置流出。激光加工头15还设置气体接口13，气体管道11通过该气体接口13与气体通道19相连。

辅助液体供应系统包括设置在激光加工头15内部的至少一条液体通道20，位于加工头15外部的液体管道12和液体通断电磁阀10。液体通断电磁阀10用于控制外部液体进入气体通道19。液体通断电磁阀10打开，液体8通过液体管道12进入激光加工头15内部的液体通道20，然后从激光加工头15的喷嘴25位置流出。激光加工头15还设置液体接口14，液体管道12通过液体接口14与液体通道20相连。

本实施例中，激光加工头15由上腔体17和下腔体18组成，气体通道19与液体通道20位于上腔体，喷嘴25位于下腔体。上腔体与下腔体通过螺纹连接在一起，或者通过法兰螺栓固定在一起，构成完整的激光加工头15。

利用该激光加工装置进行激光加工的方法如下：

(1)如图3中的(a)图所示，工件装在五轴运动台上，移动五轴运动台，使工件处于激光加工头的下方位置，调整工件位置，使激光束经扫描系统、激光加工头后聚焦在工件的待加工位置。

(2)如图3中的(b)图所示，开启气体通断电磁阀9，同时保持液体通断电磁阀10关闭，气体从气体管道11进入激光加工的气体通道19，然后经喷嘴25流出。气体管道11的压力可以设定为0.1MPa至1MPa(相对压力)。然后开启激光束，扫描振镜按照设定的扫描路径进行动作，改变激光照射到工件待加工的位置，通过气体辅助的激光粗加工技术加工得到直径比目标孔直径小约0.1～1mm的通孔22，该通孔边缘可能存在着约1um～100um大小的热影响区23。加工完成后关闭气体通断电磁阀9。

(3)如图3中的(c)图所示，由于水和空气对激光的折射率差异，使用水助激光加工时激光的聚焦点会下移，因此移动五轴运动台的Z轴，使工件沿着Z轴下移一定距离，使步骤(4)中进行水助激光加工时激光的聚焦点位于待加工区域。

(4)如图3中的(d)图所示，开启液体通断电磁阀10，维持1～10s的时间排除激光头内的空气，并使激光头喷嘴处形成稳定的层流水柱。液体管道12的压力可以设定为0.1MPa至1MPa(相对压力)。然后开启激光束，扫描振镜按照设定的扫描路径进行动作，改变激光照射到工件待加工的位置，通过液体辅助的激光精加工技术加工得到所要求尺寸的目标孔。同时，约1um～100um大小的热影响区23也在该液体辅助的激光精加工中被去除，得到基本无热影响区的高精度、低损伤的孔型。加工完成后关闭液体通断电磁阀10。

上述加工得到的目标孔如图4所示，呈异型孔，其深度约6mm，加工时间约4分钟。加工同样的异型孔，采用单纯的水助激光加工方法需要20分钟。

实施例2：

本实施例中，激光加工装置结构如图5所示。该激光加工装置的结构与实施例1的结构基本相同，所不同的是加工头内部的气体通道19与液体通道20相连通，形成加工头内部通道21，并且气体管道11与液体管道12相连通。

本实施例中，激光加工装置结构如图5所示，包括激光加工头15、辅助气体与液体供应系统以及扫描系统。

扫描系统包括用于改变激光束3路径的扫描振镜1，以及用于激光束3聚焦的场镜2。扫描振镜的内部设置至少两个振镜片，用于控制激光束在至少X、Y两个方向运动。

激光加工头15内部设置高透光石英玻璃16，激光束3通过高透光石英玻璃16进入激光加工头15，通过激光加工头15的喷嘴25射出到工件4上。

辅助气体与液体供应系统包括设置在激光加工头15内部的至少一条通道21，位于加工头15外部的接口5、气体管道11、气体通断电磁阀9、液体管道12和液体通断电磁阀10。气体管道11与液体管道12相连通后形成管道6，管道6经接口5与通道21相连。

气体通断电磁阀9用于控制外部气体进入气体通道19。气体通断电磁阀9打开，气体7通过气体管道11进入管道6，然后进入激光加工头内部的通道21，再从激光加工头15的喷嘴25位置流出。液体通断电磁阀10打开，液体8通过液体管道12进入管道6，然后进入激光加工头内部的通道21，再从激光加工头15的喷嘴位置流出。

利用该激光加工装置进行激光加工，具体如下：

(1)如图3中的(a)图所示，工件装在五轴运动台上，移动五轴运动台，使工件处于激光加工头的下方位置，调整工件位置，使激光束经扫描系统、激光加工头后聚焦在工件的待加工位置。

(2)如图3中的(b)图所示，开启气体通断电磁阀9，同时保持液体通断电磁阀10关闭，气体从气体管道11进入管道6，然后进入激光加工的通道21，最后经喷嘴流出。气体管道11的压力可以设定为0.1MPa至1MPa(相对压力)。然后开启激光束，扫描振镜按照设定的扫描路径进行动作，改变激光照射到工件待加工的位置，通过气体辅助的激光粗加工技术加工得到直径比目标孔直径小约0.1～1mm的通孔22，该通孔边缘可能存在着约1um～100um大小的热影响区23。加工完成后关闭气体通断电磁阀9。

(3)如图3中的(c)图所示，由于水和空气对激光的折射率差异，使用水助激光加工时激光的聚焦点会下移，因此移动五轴运动台的Z轴，使工件沿着Z轴下移一定距离，使水助激光加工时激光的聚焦点位于待加工区域。

(4)如图3中的(d)图所示，开启液体通断电磁阀10，液体从液体管道12进入管道6，然后进入激光加工的通道21，最后经喷嘴流出，维持电磁阀10液体1～10s的时间排除激光头内的空气，并使激光头喷嘴处形成稳定的层流水柱。然后开启激光束，扫描振镜按照设定的扫描路径进行动作，改变激光照射到工件待加工的位置，通过液体辅助的激光精加工技术加工得到所要求尺寸的目标孔。液体管道12的压力可以设定为0.1MPa至1MPa(相对压力)。同时，约1um～100um大小的热影响区23也在该液体辅助的激光精加工中被去除，得到基本无热影响区的高精度、低损伤的孔型。加工完成后关闭液体通断电磁阀10。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种激光加工方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)采用气体辅助的激光加工技术，在待加工位置得到通孔，所述通孔直径小于待加工的目标孔的直径；

(2)采用液体辅助的激光加工技术，在步骤(1)制得的通孔基础上进一步进行激光加工，将所述通孔加工为目标孔。

2.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述步骤(1)中，辅助气体的气流束与激光束同轴，并且该气流束直径大于激光束聚焦点直径。

3.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述步骤(1)中，气流束与激光束同轴，并且气流位于激光束外围。

4.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述步骤(2)中，液体流与激光束同轴，并且液体流直径大于激光束聚焦点直径。

5.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述步骤(2)中，液体流与激光束同轴，并且液体流位于激光束外围。

6.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述通孔的直径小于目标孔的直径0.1mm～1mm。

7.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：在所述步骤(2)中，首先对工件位置进行调整，以使激光在步骤(2)中的聚焦点位于工件待加工区域。

8.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述的辅助气体包括压缩空气、氮气、氦气、氩气中的一种或者几种的混合。

9.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征是：所述的辅助液体包括去离子水、纯净水、蒸馏水、自来水、氯化钠溶液中的一种或者几种的混合。

10.实现权利要求1至9中任一权利要求所述的激光加工方法的装置，其特征是：包括激光加工头、辅助气体供应系统，以及辅助液体供应系统；

激光加工头内部设置透光玻璃，激光束通过透光玻璃进入激光加工头，通过激光加工头的喷嘴射出到工件上；

辅助气体供应系统包括设置在激光加工头内部的至少一条气体通道，位于加工头外部的气体管道和气体通断开关；气体通断开关打开，辅助气体通过气体管道进入激光加工头内部的至少一条气体通道，然后从激光加工头的喷嘴位置流出；

辅助液体供应系统包括设置在激光加工头内部的液体通道，位于激光加工头外部的液体管道和液体通断开关；液体通断开关打开，辅助液体通过液体管道进入激光加工头内部的液体通道，然后从激光加工头的喷嘴位置流出。

11.如权利要求10所述的装置，其特征是：所述的激光加工头还设置气体接口，所述的气体管道通过该气体接口与气体通道相连；

作为优选，所述的激光加工头还设置液体接口，所述的液体管道通过液体接口与液体通道相连。

12.如权利要求10所述的装置，其特征是：所述气体管道与液体管道相连通。

13.如权利要求10所述的装置，其特征是：所述的激光加工头由上腔体和下腔体组成，二者连接在一起构成完整的激光加工头；

作为优选，所述气体通道与液体通道位于上腔体，所述喷嘴位于下腔体；进一步优选，所述的透光玻璃固定在上腔体上。

14.如权利要求10所述的装置，其特征是：所述透光玻璃的面向喷嘴的表面呈凸出结构。

15.如权利要求10所述的装置，其特征是：所述装置还包括扫描系统，激光束经所述扫描系统改变路径并聚焦后进入所述激光加工头；

作为优选，所述扫描系统包括用于改变激光束路径的扫描振镜，以及用于激光束聚焦的场镜。

16.如权利要求10所述的装置，其特征是：所述装置还包括工件运载机构，用于带动工件在X、Y、Z方向的直线运动；

进一步优选，所述工件运载机构还可带动工件进行旋转运动。