CN110640337B - 一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置及方法，属于特种加工中的激光加工领域，包括激光化学复合加工系统以及控制系统；为解决透明硬脆材料对激光吸收效率低的问题，本发明采用加入染色剂的碱性溶液，可提高材料加工区域对激光的吸收率，减小材料的内应力累积。相较于普通固体涂层只能在激光冲击的瞬间起作用，本方法提出的液态流动涂层能够自适应激光加工痕迹，涂层可随着激光打孔的深度变化，实现持续作用，尤其适用于加工深孔。本方法充分利用了激光预加工的正面效果，与现有方法比较，成本低廉，可显著降低深孔锥度，提高深孔的孔壁质量，并提高激光的能量利用率。

Description

一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的 装置及方法

技术领域

本发明属于特种加工中的激光加工领域，涉及到一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置及方法。

背景技术

随着工业的发展，以玻璃为代表的透明硬脆材料的微加工越来越重要，其中玻璃深孔加工是工艺和制造的难点。由于硬脆材料在加工孔的过程中，容易碎裂，如传统机械加工钻孔方式，非常容易使得整个材料裂开，有着成品率相对较低、污染严重、加工时间长以及加工精度差等缺点；而激光加工由于其效率高、精度高等优点逐渐成为微加工的主流加工方式。

在使用激光打孔技术加工上述关键零部件的深孔尤其是通孔时，锥度和深径比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，深径比越大越难加工。但是，采用传统的激光加工方法，由于激光的聚焦特性，使其所加工的深孔不可避免地存在较大的锥度。

国内外的研究人员对激光加工透明硬脆材料深孔的方法进行了一定的研究，中国专利“一种非晶硅太阳电池玻璃基底的激光钻孔方法”，中国专利公开号CN104722932A提出：激光背向分层打孔的方法。首先，在待加工孔的边缘向内清除一个圆环内的膜层，然后在圆环内激光从玻璃基底的下表面向上进行分层加工。分层钻孔时，激光按螺旋轨迹或同心圆轨迹或内摆线轨迹进行加工。由于采用内摆线轨迹加工方式，使得通孔内壁都能均匀的被加工，从而获得低锥度的玻璃通孔。在激光以内摆线轨迹加工时，精度要求较高，在激光背向刻蚀过程中会受到材料正面刻蚀改性的影响。另一中国发明专利“硬脆材料的激光钻孔方法”，专利公开号CN104741799A提出：利用超快激光背向刻蚀的方法加工通孔。通过短焦深的超快激光加工硬脆材料，不仅避免了热效应对材料的影响，同时防止材料的正面吸收大量的能量产生正面烧蚀，减小了孔的锥度，提高了孔壁的表面质量。所述装置使用短焦深的超快激光，能实现高精度孔的加工，但舍弃了激光预加工的正面效果，能量损耗严重，成本较高。

发明内容

为解决透明硬脆材料对激光吸收效率低的问题，本发明提出了液态流动涂层辅助激光背向湿刻改善深孔锥度的方法，现有技术激光大多从上表面加工，上表面的瞬间爆破作用剧烈导致上表面崩边较大，且随着从上往下的分层扫描热应力及压应力会一直在玻璃内部不断累积，会破坏进出口表面质量；而激光对工件从下表面向上加工时，非聚焦激光会穿透玻璃，冲击压力不会在内部叠加，故激光背向刻蚀可以在一定程度上获得较好的深孔表面质量。

而进一步的，利用黑色不透明碱性溶液对激光的吸收作用，一方面使得激光的能量集中在要加工的区域，这样激光的能量集中，可以提高加工的效率，从而明显减少在透明材料上加工出的深孔的锥度，同时碱性溶液在激光的作用下也能够定域腐蚀未完全加工的孔壁以及激光产生的烧蚀颗粒，实现相辅相成的复合加工；另一方面，通过黑色碱性溶液对加工后的样品侧壁上的激光折射光线的吸收，可以显著的消除内应力在透明材料中的累积，从而明显减少了透明材料内部的裂纹，从更大程度上获得好的深孔表面质量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置，包括激光化学复合加工系统和控制系统；所述加工系统包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜和夹具；所述脉冲激光器发出的激光束经过反射镜改变路径和聚焦透镜聚焦后，辐照在透明样品下表面；所述透明样品水平放置并固定在所述夹具上；所述夹具置于水槽内；所述水槽内化学溶液液面略低于透明样品上表面；所述控制系统包括计算机与运动控制卡，所述计算机控制脉冲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，所述透明样品为硼硅玻璃，其主要成分为二氧化硅。

进一步的，所述化学溶液为碱性溶液。

进一步的，所述化学溶液由质量分数为30％的KOH，20％的黑色染色剂以及50％去离子水组成。

进一步的，所述透明样品厚度为1～3mm。

进一步的，脉冲激光器为皮秒脉冲激光器。

一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的方法，包括以下步骤：

将超声波清洗好的样品装夹在夹具上，将夹具固定在水槽底部，水槽固定在x-y-z三维坐标平台上；

调整工作台位置并进行影像调节，使激光束聚焦到待加工样品下表面的目标位置；

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x-y-z工作台移动到加工中心，待水槽稳定后，向水槽内加入化学溶液，化学溶液液面接近样品上表面；

打开脉冲激光器，开始加工，1min～3min后，可得到低锥度深孔。

进一步的，激光在加工过程中，选用如下参数元素次数为200～400，图层次数为15～30，进给距离为+0.01mm～+0.05mm，扫描速度为300mm/s～600mm/s，频率为0.2MHz～1MHz，总能量为18W～20W。

进一步的，所述透明样品下表面紧贴化学溶液，激光束在透明样品背面刻蚀出微孔后，化学溶液会受到压力的作用涌入孔内，透明样品的加工区域始终与化学溶液接触。

进一步的，所述化学溶液为黑色不透明化学溶液，所述化学溶液会阻止激光束穿透化学溶液，将激光能量聚集在加工区域，提高了能量利用率；同时，所述化学溶液包围透明样品四周，会吸收非加工区域的激光束。

本发明的技术优势和有益效果如下：

1.激光聚焦到样品与化学碱性溶液的交界处，激光冲击瞬间的热-力效应会显著增强对材料的蚀除效率，随着激光焦点的上升，激光刻蚀的小孔深度不断增加，碱性溶液随着小孔深度的增加而上升，黑色不透明溶液相当于一层液态流动涂层，始终附着在加工区域的表面，增强样品加工区域对激光的吸收率，对孔的锥度有明显改善，而普通的涂层只能在激光冲击的瞬间起作用，不适应透明硬脆材料的深孔加工。

2.溶液中的KOH会与玻璃中的二氧化硅反应，在激光的作用下，反应速度大幅度提高，可以有效腐蚀激光加工产生的熔渣以及激光未完全刻蚀的区域，提高孔壁质量，减小孔的锥度，同时溶液起到降温的作用，减小激光对非加工区域的热影响。

3.由于激光预加工区域结构的不均匀性，激光束射入后，有一小部分光线会在玻璃内部折射。当光线折射到材料边界处时，仍有少量光线会反射留在材料内部，从而引起材料内应力的不断累积。加工时，上述黑色不透明溶液液面接近样品上表面，可以有效吸收边界处反射的光线，减少裂纹的产生。

4.高能量激光束在对玻璃预加工的过程中，会造成玻璃内部结构不稳定，甚至小幅度碎裂，通过激光束经过此位置会发生少量折射或反射，样品周围的黑色溶液相较于一般透明溶液吸收该光线的能力更强，从而减少内应力累积，提高加工质量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是激光预加工示意图；

图3是溶液吸收激光束的示意图；

附图标记如下：

1.计算机；2.脉冲激光器；3.反射镜；4.聚焦透镜；5.激光束；6.夹具；7.透明样品；8.化学溶液；9.水槽；10.x-y-z三坐标工作台；11.运动控制卡；12.激光预加工区域；13.激光聚焦点；14.激光改性区；15.二次反射光线。

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。

结合附图1所示，一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置及方法，包括激光化学复合加工系统以及控制系统。所述加工系统包括脉冲激光器2，反射镜3，聚焦透镜4，夹具6，样品7，水槽9等。所述激光器2发出的光束5经过反射镜3改变路径和聚焦透镜4聚焦后，辐照在样品7下表面；所述样品7水平放置并固定在夹具6上；所述夹具6放置在水槽9底部；所述水槽9内化学溶液8接近样品7上表面；所述控制系统包括计算机1与运动控制卡11，所述计算机1控制脉冲激光器2和运动控制卡11，所述运动控制卡控制x-y-z三坐标工作台10。

结合附图2所示，激光束5聚焦到玻璃背面时，会对路径区域12预加工，随着激光束焦点13沿着扫描路径不断上移，预定加工的通孔会受到均匀的激光束穿透影响。在实验中，仅需焦点移动1mm便实现了2mm通孔的高精度微加工。激光对透明样品7从下表面向上加工时，非聚焦激光会穿透透明样品7，冲击压力不会在内部叠加，故激光背向刻蚀可以在一定程度上获得较好的深孔表面质量。

结合附图3所示，随着激光束的不断上移，溶液8不断涌入已加工微孔内，黑色不透明的液态涂层始终附着在加工区域，增强加工区域对激光的吸收率。同时，激光的预加工会产生小范围的激光改性区域14，该区域玻璃会产生碎裂等结构变化，激光束5再次经过时会有少量折射/反射光线产生。该光线达到固液临界点时会被黑色溶液8吸收，可减少激光束在材料边界的二次反射15，有效的降低了材料的内应力。

利用黑色不透明碱性溶液对激光的吸收作用，一方面使得激光的能量集中在要加工的区域，这样激光的能量集中，可以提高加工的效率，从而明显减少在透明材料上加工出的深孔的锥度，另一方面，通过黑色不透明溶液对透明样品侧壁上的激光二次折射光线的吸收，可以显著的消除内应力在材料内部的累积，从而明显减少了透明材料内部的裂纹，从更大程度上保证了样品的加工质量。

所述溶液由质量分数为30％的KOH，20％的黑色染色剂以及50％去离子水混合而成，溶液呈现黑色不透明，可有效吸收1064nm的红外光束。样品从背面开始加工，加工位置始终与溶液接触。随着激光向上加工的过程中，该溶液会随着孔的形成不断上升，从而始终附着在加工位置，形成液态流动涂层，可提高加工区域材料对激光吸收效率。

所述溶液中KOH的质量分数为30％，溶液中的KOH会与玻璃反应，实验中，激光辐照提供的热效应会加快反应的进行，同时碱性溶液可以降低激光对非加工区域的热影响，两者相辅相成。在激光能量的影响下，溶液中的KOH会定域腐蚀激光未完全刻蚀的部分，减小孔的锥度，提高孔壁的质量。

在实际加工过程中，激光元素次数为300，图层次数为20，进给距离为+0.05mm，扫描速度为300mm/s，加工半径为100μm，频率为0.3MHz，总能量为18W～20W。激光在样品内部自上而下的加工过程中，不断对样品的上部分预加工，产生一定的热力效应，无需激光焦点进给到上表面，即可实现通孔加工。

激光背向刻蚀时对路径区域的预加工过程，仅需进给1mm便可实现深度2mm且深径比大于5的通孔加工。

高能量激光束在对玻璃内部预加工的过程中，已经造成玻璃内部结构不稳定，甚至小幅度碎裂，激光束经过此位置会发生少量折射或反射，样品周围的黑色溶液相较于一般透明溶液吸收该光线的能力更强，从而减少内应力累积，提高加工质量。

一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的方法，具体实施方式如下：

本发明采用的样品7是20mm×20mm×2mm的硼硅玻璃基板，实验前先使用去离子水清洗，再放入酒精中超声波震动清洗；

将清洗好的样品7装夹到夹具6上，夹具6固定于水槽9底部，水槽9固定在x-y-z三坐标工作台10上。实验中采用的水槽9的大小为200mm×100mm×80mm，样品7距离水槽9底部60mm，夹口两端各伸出2mm；

连接计算机1与激光器2、计算机1与运动控制卡11、运动控制卡11与x-y-z三坐标工作台10；

调整x-y-z三坐标工作台10位置，并通过CCD相机调节影像使激光束5聚焦到待加工样品7下表面的目标位置；

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10移到加工中心，向水槽内加入黑色不透明的30％KOH溶液8，液面接近样品7上表面；打开脉冲激光器2，开始加工；

1min～3min后，得到低锥度深孔；

加工完成后取下样品并检查加工效果；

调节溶液浓度、激光参数等，从而调控孔的锥度，同时调节溶液高度，观察样品的表面裂纹，间接得到样品的内应力大小；

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

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。

Claims (8)

1.一种液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，包括皮秒激光力效应-化学腐蚀复合加工系统和控制系统；所述皮秒激光力效应-化学腐蚀复合加工系统包括脉冲激光器（2）、反射镜（3）、聚焦透镜（4）和夹具（6）；所述脉冲激光器（2）发出的激光束（5）经过反射镜（3）改变路径和聚焦透镜（4）聚焦后，辐照在透明样品（7）下表面；所述透明样品（7）水平放置并固定在所述夹具（6）上；所述夹具（6）置于水槽（9）内；所述水槽（9）内化学溶液（8）液面略低于透明样品（7）上表面；所述控制系统包括计算机（1）与运动控制卡（11），所述计算机（1）控制脉冲激光器（2）和运动控制卡（11），所述运动控制卡（11）控制x-y-z三坐标工作台（10）；脉冲激光器（2）为皮秒脉冲激光器；皮秒脉冲激光器的脉冲频率0.2MHz～5MHz，激光波长1064nm，加工功率5W～20W；还包括如下步骤：

将超声波清洗好的透明样品（7）装夹在夹具（6）上，将夹具固定在水槽（9）底部，水槽固定在x-y-z三坐标工作台（10）上；

调整x-y-z三坐标工作台（10）位置并进行影像调节，使激光束（5）聚焦到待加工透明样品（7）下表面的目标位置；

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x-y-z三坐标工作台（10）移动到加工中心，待水槽（9）稳定后，向水槽（9）内加入化学溶液（8）；

打开激光器（2），开始加工，加工过程中化学溶液（8）会受到压力的作用涌入孔内，透明样品（7）的加工区域始终与化学溶液（8）接触；

1min~3min后，可得到低锥度深孔；

取下已加工透明样品（7）并检查加工效果；

调节溶液浓度和激光参数，从而调控孔的锥度，同时调节溶液高度，从而调控加工后的样品内应力；

得到合适参数后通过运动控制卡（11）控制x-y-z三坐标工作台（10）移动从而进行大量孔的加工。

2.根据权利要求1所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，所述透明样品（7）为硼硅玻璃。

3.根据权利要求1所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，所述化学溶液（8）为碱性溶液。

4.根据权利要求1或者3任一项所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，所述化学溶液（8）由质量分数为30%的KOH，20%的黑色染色剂以及50%去离子水组成。

5.根据权利要求2至3任一项所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，所述透明样品（7）厚度为1mm~3mm。

6.根据权利要求1所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，激光在加工过程中，选用如下参数：元素次数为200~400，图层次数为15~30，进给距离为+0.01mm~+0.05mm，扫描速度为300mm/s~600mm/s，频率为0.2MHz~1MHz，总能量为18W~20W。

7.根据权利要求1所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，所述透明样品（7）下表面紧贴化学溶液（8），激光束（5）在透明样品（7）背面刻蚀出微孔后，化学溶液（8）会受到压力的作用涌入孔内，透明样品（7）的加工区域始终与化学溶液（8）接触。

8.根据权利要求7所述的液态流动涂层辅助激光背向湿刻加工低锥度玻璃深孔的装置的使用方法，其特征在于，所述化学溶液（8）为黑色不透明化学溶液，所述化学溶液（8）会阻止激光束（5）穿透化学溶液（8），将激光能量聚集在加工区域，提高了能量利用率；同时，所述化学溶液（8）包围透明样品（7）四周，会吸收非加工区域的激光束。

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