CN111716023B - 一种高深径比微孔的加工装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工领域，公开了一种高深径比微孔的加工装置及加工方法，加工装置包括：光束调试组件，所述光束调试组件包括激光器、扩束模块，光束调制模块、聚焦镜以及同轴吹气模块；同轴检测组件，所述同轴检测组件包括分光棱镜和激光测量传感器；工控机，所述工控机分别与所述激光器、光束调制模块、同轴吹气模块以及激光测量传感器连接。本发明可在非透明材料上实现高深径比微孔加工，并通过控制工艺参数，保证微孔加工质量。

Description

一种高深径比微孔的加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种高深径比微孔的加工装置及加工方法。
背景技术
随着航空、航天、国防、计算机、光学、汽车等领域的飞速发展，对材料加工提出了更高的要求，而在材料加工领域，微孔是一种极为常见的结构，因此对微孔提出了更高深径比的要求。激光加工作为一种先进的加工技术，受到加工领域的广泛关注。对于非透明材料而言，采用激光加工技术进行加工时，因光束无法在材料内部进行传输，当深径比较高时，极易出现扫边现象，难以实现高深径比微孔加工，亟需解决高深径比激光微孔加工难题。近几年激光脉冲光束空域整形技术已经成为激光领域热门的研究方向，得到了各领域的广泛关注，为非透明材料激光高深径比微孔加工提供了新的解决思路。
发明内容
本发明提供一种高深径比微孔的加工装置及加工方法，可在非透明材料上实现高深径比微孔加工，并通过控制工艺参数，保证微孔加工质量。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种高深径比微孔的加工装置，包括：
光束调试组件，所述光束调试组件包括激光器、扩束模块、光束调制模块、聚焦镜以及同轴吹气模块；
同轴检测组件，所述同轴检测组件包括分光棱镜和激光测量传感器；
工控机，所述工控机分别与所述激光器、光束调制模块、同轴吹气模块以及激光测量传感器连接。
优选的，所述光束调制模块包括：
或，空间光调制器为核心的光学部件和光束扫描系统；
或，包括不少于一组的折衍混合元件、光束轴向控制系统以及光束扫描系统；
或，包括不少于一组的衍射光学元件、光束轴向控制系统以及光束扫描系统。
优选的，所述激光器发射的激光光束功率由加工材料烧蚀阈值决定。
优选的，所述同轴吹气模块的吹气气压在0.1MPa~1MPa之间。
本发明还提供一种高深径比微孔的加工方法，包括以下步骤：
S101、开启光束调试组件和同轴检测组件中的一系列设备，保证加工装置的正常运行；
S102、基于加工深度将加工过程分为第一阶段加工和第二阶段加工：
S1021：第一阶段加工：光束调制模块采用同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，进给参数随激光测量传感器测量数据实时修改，同时将同轴吹气模块的吹气气压调至0.1MPa-0.5MPa，当激光测量传感器检测到微孔高深径比达到8:1至12：1时自动进入第二阶段加工，并自动调整相关工艺参数；
S1022：第二阶段加工：光束调制模块采用边缘重叠率高、中心重叠率低的同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，参数随激光测量传感器测量数据实时修改，同时将同轴吹气模块的吹气气压调至0.5 MPa -1MPa，当激光测量传感器检测到微孔已完全穿透时，结束微孔加工完成。
优选的，在步骤S1021中，所述光束调制模块将光束焦点处焦深变为正常焦深的一半，且焦点的光斑变为高斯分布。
优选的，在步骤S1021中，当激光测量传感器检测到微孔高深径比达到10：1时自动进入第二阶段加工，并自动调整相关工艺参数。
优选的，在步骤S1021中，同轴吹气模块的吹气气压随微孔的加工深度逐渐调高至0.5MPa。
优选的，在步骤S1022中，所述光束调制模块将光束焦点处焦深变为正常焦深的4至8倍，且焦点的光斑变为超高斯分布。
优选的，在步骤S1022中，同轴吹气模块的吹气气压随微孔的加工深度逐渐调高至1MPa。
本发明与现有技术相比，本发明采用光束调制模块对激光光束的聚焦特性及其行为控制进行精细调控，通过同轴检测系统为光束调制模块提供实时数据反馈，经数据分析后，实现激光光束全时全域灵活调控，保证微孔表面无扫边现象，且孔内壁无微裂纹无重铸层。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种高深径比微孔的加工装置，包括：
光束调试组件，所述光束调试组件包括激光器2、扩束模块3、光束调制模块5、聚焦镜9以及同轴吹气模块10；
同轴检测组件，所述同轴检测组件包括分光棱镜6和激光测量传感器8；
工控机1，所述工控机1分别与所述激光器2、光束调制模块5、同轴吹气模块10以及激光测量传感器8连接。
可以理解，光束调制模块5的作用是实现对光束聚焦特性及行为控制的实时调控。
可以理解，同轴吹气模块10保证在加工过程中产生的残渣、等离子体等混合物质11能顺利排出微孔，减小对加工的影响。
可以理解，激光测量传感器8的探测光束7与激光光束4同轴，在打孔过程中，探测光束7经材料表面反射回传感器中，从而实时得到微孔内部各处的加工深度，并将信号反馈给光束调制组件。
可选的，在本发明提供的技术方案中，所述光束调制模块5的组成部件不唯一，可以为：或，空间光调制器为核心的光学部件和光束扫描系统，或，包括不少于一组的折衍混合元件、光束轴向控制系统以及光束扫描系统，或，包括不少于一组的衍射光学元件、光束轴向控制系统以及光束扫描系统，其中的任意一种。
可选的，在加工不同的材料时，由于每个材料的烧蚀阈值不同，所以，所述激光器2发射的激光光束4功率由加工材料12烧蚀阈值决定，这样能够保证在加工时避免功率过高损伤加工材料12或避免功率不够导致加工不完全而造成残次品。
可以理解，所述同轴吹气模块10的吹气气压在0.1MPa~1MPa之间，保证在加工过程中能够根据微孔的加工深度及时调整，顺利的排出加工过程中产生的残渣、等离子体等混合物质11。
本发明还提供一种高深径比微孔的加工方法，包括以下步骤：
S101、开启光束调试组件和同轴检测组件中的一系列设备，保证加工装置的正常运行；
S102、基于加工深度将加工过程分为第一阶段加工和第二阶段加工：
S1021：第一阶段加工：光束调制模块5采用同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，进给参数随激光测量传感器8测量数据实时修改，同时将同轴吹气模块10的吹气气压调至0.1MPa-0.5MPa，当激光测量传感器8检测到微孔高深径比达到8：1至12：1时自动进入第二阶段加工，并自动调整相关工艺参数：
S1022：第二阶段加工：光束调制模块5采用边缘重叠率高、中心重叠率低的同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，参数随激光测量传感器8测量数据实时修改，同时将同轴吹气模块10的吹气气压调至0.5 MPa -1MPa，当激光测量传感器8检测到微孔已完全穿透时，结束微孔加工。
可以理解，在步骤S1021中，所述光束调制模块5将光束焦点处焦深变为正常焦深的一半，且焦点的光斑变为高斯分布，当孔深度较浅时，高斯分布的光束足以能完成加工。
可选的，在步骤S1021中，同轴吹气模块10的吹气气压随微孔的加工深度逐渐调高至0.5MPa，以保证为控制的残渣、等离子体等混合物质11能够顺利排出。
可以理解，在步骤S1022中，所述光束调制模块5将光束焦点处焦深变为正常焦深的4至8倍，且焦点的光斑变为超高斯分布，采用较短的焦深已经难以实现更高深径比的加工，因此将光束的焦深拉伸且将光斑整形为超高斯分布，焦深拉伸使得激光光束4仍然具备加工能力，而焦深拉伸情况视加工深度而定；超高斯分布的光束能保证材料去除能力，降低热影响区域。
可选的，在步骤S1022中，同轴吹气模块10的吹气气压随微孔的加工深度逐渐调高至1MPa，以保证为控制的残渣、等离子体等混合物质11能够顺利排出。
本发明还提供一个实施例，在高深径比加工过程中，采用激光测量传感器8进行信号的采集及反馈，从而对激光光束4的聚焦特性及其行为控制进行精细调控。基于加工深度可将加工过程分为两个阶段，第一阶段为开始加工到加工深径达到10:1，第二阶段为加工深径比超过10:1。
第一步、根据加工材料12选择合适功率的激光器2，并根据激光器2的功率选择合适的光束调制模块5。
第二步、第一阶段加工：光束调制模块5采用同心圆扫描方式进行扫描，同时进行焦点位置轴向进给，进给参数随激光测量传感器8测量数据实时改变，最小变化量视光束调制模块5最小调控精度而定，保证了加工过程中激光光束4对材料的去除能力。
将同轴吹气模块10的吹气气压调节为0.1MPa，并随着加工深度的变化而增加吹气气压直至0.5MPa，其目的是使得加工过程中产生的残渣、等离子体等混合物质11能顺利排出。
光束调制模块5对光束聚焦特性进行整形，将焦点处焦深变为正常焦深的一半，且焦点光斑形貌为高斯分布，当孔深度较浅时，高斯分布的光束足以能完成加工。
当激光测量传感器8探测到微孔深径比达到10:1时自动进入第二阶段加工，并自动调节相关工艺参数。
第三步、第二阶段加工：光束调制模块5采用边缘重叠率高、中心重叠率低的同心圆扫描方式进行扫描，当焦斑垂直入射加工位置和带角度入射加工位置时，其与材料作用时的能量密度会有一些细微差异，当光束调制模块5在微孔不同位置处扫描轨迹一致时，随着加工的不断深入，会导致中心深度和边缘深度出现差异，因此采用边缘重叠率高、中心重叠率低的同心圆扫描方式能有效的保证微孔内部不同位置的深度基本一致。
光束调制模块5实现焦点位置轴向缓慢进给，进给参数随激光测量传感器8测量数据实时改变，此阶段焦点位置轴向进给量与深度之间的比值为1:1.2到1:3之间，且随加工深度的不同比值也不同，保证了加工过程中激光光束4对材料的去除能力。
将同轴吹气模块10的吹气气压调节为0.5MPa，并随着加工深度的变化而增加吹气气压直至1MPa，由于随着微孔加工的不断深入，较低的吹气气压已难以实现对残渣、等离子体等混合物质11的排除，因此将吹气气压的提高有利于排渣。
光束调制模块5对光束聚焦特性进行整形，将焦点处焦深变为正常焦深的4-8倍，且焦点光斑形貌变化为超高斯分布光束。采用较短的焦深已经难以实现更高深径比的加工，因此将光束的焦深拉伸且将光斑整形为超高斯分布，焦深拉伸使得激光光束4仍然具备加工能力，而焦深拉伸情况视加工深度而定；超高斯分布的光束能保证材料去除能力，降低热影响区域。当激光测量传感器8探测到微孔13已完全穿透时，则微孔加工完成。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种高深径比微孔的加工装置，其特征在于，包括：
光束调试组件，所述光束调试组件包括激光器、扩束模块、光束调制模块、聚焦镜以及同轴吹气模块；
同轴检测组件，所述同轴检测组件包括分光棱镜和激光测量传感器；
工控机，所述工控机分别与所述激光器、光束调制模块、同轴吹气模块以及激光测量传感器连接；
所述光束调制模块包括：
或，空间光调制器为核心的光学部件和光束扫描系统，
或，包括不少于一组的折衍混合元件、光束轴向控制系统以及光束扫描系统，
或，包括不少于一组的衍射光学元件、光束轴向控制系统以及光束扫描系统；
所述高深径比微孔的加工装置用于通过第一阶段加工和第二阶段加工形成高深径比微孔；
在所述第一阶段加工，所述光束调制模块采用同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，进给参数随激光测量传感器测量数据实时修改，同时将调整同轴吹气模块的吹气气压，当激光测量传感器检测到微孔高深径比达到8：1至12：1时自动进入第二阶段加工，并自动调整相关工艺参数；
在所述第二阶段加工，所述光束调制模块采用边缘重叠率高、中心重叠率低的同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，参数随激光测量传感器测量数据实时修改，同时将调整同轴吹气模块的吹气气压，当激光测量传感器检测到微孔已完全穿透时，结束微孔加工。
2.如权利要求1所述的一种高深径比微孔的加工装置，其特征在于，所述激光器发射的激光光束功率由加工材料烧蚀阈值决定。
3.如权利要求1所述的一种高深径比微孔的加工装置，其特征在于，所述同轴吹气模块的吹气气压可在0.1MPa~1MPa之间。
4.一种高深径比微孔的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、开启光束调试组件和同轴检测组件中的一系列设备，保证加工装置的正常运行；
S102、基于加工深度将加工过程分为第一阶段加工和第二阶段加工：
S1021：第一阶段加工：光束调制模块采用同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，进给参数随激光测量传感器测量数据实时修改，同时将同轴吹气模块的吹气气压调至0.1MPa-0.5MPa，当激光测量传感器检测到微孔高深径比达到8：1至12：1时自动进入第二阶段加工，并自动调整相关工艺参数；
S1022：第二阶段加工：光束调制模块采用边缘重叠率高、中心重叠率低的同心圆扫描方式进行扫描，并进行焦点位置轴向进给，参数随激光测量传感器测量数据实时修改，同时将同轴吹气模块的吹气气压调至0.5 MPa -1MPa，当激光测量传感器检测到微孔已完全穿透时，结束微孔加工；
在步骤S1022中，所述光束调制模块将光束焦点处焦深变为正常焦深的4至8倍，且焦点的光斑变为超高斯分布。
5.如权利要求4所述的一种高深径比微孔的加工方法，其特征在于，在步骤S1021中，所述光束调制模块将光束焦点处焦深变为正常焦深的一半，且焦点的光斑变为高斯分布。
6.如权利要求4所述的一种高深径比微孔的加工方法，其特征在于，在步骤S1021中，当激光测量传感器检测到微孔高深径比达到10：1时自动进入第二阶段加工，并自动调整相关工艺参数。
7.如权利要求4所述的一种高深径比微孔的加工方法，其特征在于，在步骤S1021中，同轴吹气模块的吹气气压随微孔的加工深度逐渐调高至0.5MPa。
8.如权利要求5所述的一种高深径比微孔的加工方法，其特征在于，在步骤S1022中，同轴吹气模块的吹气气压随微孔的加工深度逐渐调高至1MPa。
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