CN112756818B - 一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，属于高精密智能激光制造技术领域，将高精密的激光空间整形技术和高效率的过程判断控制方法应用到微深通孔的形貌修复使微孔的形貌质量和加工效率得到提升，方法为：按照材料属性和加工工艺要求设置相应的激光加工工艺；利用高斯激光对靶材进行打孔；利用实时监测装置监测靶材，当靶材被穿透时将激光能量分布从高斯型转换为平顶型；利用平顶激光对微孔进行形貌修复加工；利用实时监测装置监测微孔出口形貌满足要求时进行下一微孔加工。本发明采用高斯型激光加工和平顶型激光修复相结合，实时监测反馈控制加工流程的加工方式，有效提高微孔加工质量和加工效率。

Description

一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法
技术领域
本发明面向大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，属于高精密智能激光制造技术领域，将高精密的激光空间整形技术和高效率的过程判断控制方法应用到微深通孔的形貌修复使微孔的形貌质量和加工效率得到提升。
背景技术
激光微纳制造是机械制造技术的前沿和重要发展方向之一，为我国的航空航天、国防、能源、汽车、生物、医疗等众多领域提供重要的加工制造的技术支撑。激光微孔制造是突破上述工业领域中许多关键核心技术和解决关键问题的一种最佳方案。如航天航空发动机、燃气轮机涡轮叶片上的气膜冷却孔、发动机喷油嘴微孔、惯性约束聚变(ICF)点火工程中的点火靶充气微孔以及印刷电路基板上的微孔等。
目前由于对构件的性能要求以及结构设计，微孔结构在满足功能要求的前提下，尽可能的减小尺寸是增加结构稳定性的有效手段。随着新器件、新结构的不断出现以及制造水平的不断提高，微孔的尺寸要求不断减小，由亚纳米量级减小到微米量级，甚至到亚微米量级。如何加工出高质量的微纳米孔成为近年来研究的热点。同时品质要求也不断提高，包括形状、圆度、锥度、深径比、位置精度、加工区重铸层厚度、微裂纹及内外表面粗糙度等。
目前多采用高斯激光束或其他类型整形光束对材料进行打孔加工，但目前存在的问题是，利用高斯激光束对微孔进行打孔加工时，微孔锥度大，形貌质量差；若采用激光旋切的加工工艺对材料进行打孔加工时，微孔的形貌质量对运动平台的运动精度要求较高，并且旋切效率受平台运动速度的影响；利用平顶型能量分布的激光束进行深孔加工时，效率较低，所加工孔的深度较小。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决现有加工工艺或相关加工工艺中存在的工艺问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可加工出圆度好，锥度小和大数量微孔的高效率的加工工艺。
(二)技术方案
为了更高效的加工出高质量和高数量的微孔，解决上述工艺问题，本发明提供一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，包括如下步骤：
步骤一：根据加工工艺要求和材料属性要求，设置最佳的激光加工工艺参数；
步骤二：利用高斯型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对靶材进行通孔加工；
步骤三：利用监测装置对靶材进行监测，当靶材被高斯激光加工成通孔时进入下一加工步骤；
步骤四：将激光束的能量分布从高斯型分布转换成平顶型能量分布；
步骤五：利用平顶型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对所加工孔的形貌进行修复型加工；
步骤六：利用监测装置对靶材进行监测，当满足所预期的微孔出口形貌时进入下一加工步骤；
步骤七：移动靶材相对于激光束到下一加工位置，并将激光束调整到初始加工设置，实现周期加工。
其中，所述根据加工工艺要求和材料属性要求，设置合适的激光加工工艺参数时，按照以下原则对激光加工参数进行设定：使得在利用高斯型能量分布的激光束穿透靶材时获得最快加工效率；使得在利用平顶型能量分布的激光束修复微孔形貌时获得最好的微孔形貌质量；并且激光加工过程中离焦量是相对于整个加工平面而设置。
其中，所述利用监测装置对靶材进行监测时，只监测靶材被激光加工的加工面背面形貌。
其中，所述利用监测装置对靶材进行监测，当满足工艺要求二时进入下一加工步骤中，利用监测装置对靶材进行实时监测只监测所加工微孔出口的加工形貌。
其中，所述将激光束调整到初始加工设置包括将激光束的能量分布从平顶型分布调整为高斯型分布，并使激光的聚焦位置满足新的微孔的加工流程。
(三)有益效果
与现有的激光加工系统与激光加工工艺相比，本发明具有如下优点：
本发明提供一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，由于利用高斯型能量分布的激光束采用冲击式加工方式加工微孔时具有加工效率高，所加工微孔深度大的优点和利用平顶型能量分布的激光束加工微孔时具有加工微孔形貌质量好的优点，将两种不同能量分布的激光束次序结合起来进行微孔加工，相比于传统的激光微孔加工方式，所加工微孔具有形貌质量好，深径比大，加工效率高的优点；利用高斯型能量分布的激光首先将材料穿透再利用平顶型能量分布的激光对微孔进行形貌修复能够有效解决加工过程中的导屑问题和等离子体对激光的屏蔽问题，提高激光的能量利用率；本加工方法由于采用平顶型能量分布的激光束对微孔形貌进行修复，可以避免采用激光旋切的加工方式，缩短微孔加工时间，提升微孔的加工效率，并且还可以有效避免由于运动平台的运动误差对微孔的形貌质量产生的影响；并且在加工过程中利用实时监测装置，采用过程判断和控制的方法，对微孔形貌进行监测判断，及时改变激光光束能量分布以及激光在靶材表面的相对作用位置，能够提高系统的加工效率和面向大数量孔加工要求时所加工微孔的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法流程图；
图2为本发明一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工过程微孔截面形貌以及加工系统示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面将结合附图对根据本发明公开实施例的通孔的激光加工方法进行详细的描述。
请参照图1，图1为本发明一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法流程示意图。
本发明提供一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，具体包括如下步骤：
步骤一：根据加工工艺要求和材料属性要求，设置最佳的激光加工工艺参数；
步骤二：利用高斯型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对靶材进行通孔加工；
步骤三：利用监测装置对靶材进行监测，当靶材被高斯激光加工成通孔时进入下一加工步骤；
步骤四：将激光束的能量分布从高斯型分布转换成平顶型能量分布；
步骤五：利用平顶型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对所加工孔的形貌进行修复型加工；
步骤六：利用监测装置对靶材进行监测，当满足所预期的微孔出口形貌时进入下一加工步骤；
步骤七：移动靶材相对于激光束到下一加工位置，并将激光束调整到初始加工设置，实现周期加工。
其中，所述根据加工工艺要求和材料属性要求，设置合适的激光加工工艺参数时，按照以下原则对激光加工参数进行设定：使得在利用高斯型能量分布的激光束穿透靶材时获得最快加工效率；使得在利用平顶型能量分布的激光束修复微孔形貌时获得最好的微孔形貌质量；并且激光加工过程中离焦量是相对于整个加工平面而设置。
其中，所述利用监测装置对靶材进行监测时，只监测靶材被激光加工的加工面背面形貌。
其中，所述利用监测装置对靶材进行监测，当满足工艺要求二时进入下一加工步骤中，利用监测装置对靶材进行实时监测只监测所加工微孔出口的加工形貌。
其中，所述将激光束调整到初始加工设置包括将激光束的能量分布从平顶型分布调整为高斯型分布，并使激光的聚焦位置满足新的微孔的加工流程。
具体结合图2，来具体描述上述激光加工方法：
首先，参照图2，图2为本发明一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工过程微孔截面形貌以及加工系统示意图，根据所加工材料的性质和所要加工的微孔的孔径和深度，按照以下原则对激光加工参数进行设定：使得在利用高斯型能量分布的激光束穿透靶材时获得最快加工效率，并且使得在利用平顶型能量分布的激光束修复微孔形貌时获得最好的微孔形貌质量；并且为了保证加工效率，该加工参数在加工过程中应保持恒定。参照图2(a),首先利用高斯型能量分布的激光束对靶材进行穿孔加工,并且利用实时监测装置对靶材加工面的背面进行实时监测，利用高斯型能量分布的激光束对靶材进行穿孔加工可以在很短的时间内将靶材穿透，提升加工效率，但高斯型能量分布的激光束对靶材进行打孔加工后，微孔锥度较大，形貌质量差。
其次，参照图2(b)，利用实时监测装置对靶材加工面的背面进行实时监测，当靶材被高斯型能量分布的激光束穿透时，即形成图2(b)所示的材料微孔形貌时，监测装置反馈信号给控制系统，控制系统通过控制光束整形系统将系统光路中的激光能量分布从高斯型分布转换成为平顶型能量分布。
然后，参照图2(c)，利用平顶光对微孔进行再次加工，可以有效修复微孔的形貌质量，减小微孔的锥度并改善微孔的圆度，并利用实时监测装置对靶材加工面的背面进行实时监测.
最后，参照图2(d)，当利用实时监测装置对微孔出口形貌进行监测，微孔出口形貌满足加工要求时，监测系统反馈信号给控制系统，控制系统通过控制光束整形装置将激光束从平顶型能量分布转换成高斯型能量分布，并控制运动系统，使得靶材移动距离s到下一加工位置，然后再次重复如图2(a)所示的加工流程。通过不断地重复此过程即可在材料表面上高效率的加工出高形貌质量的微孔。
综上，本发明提供一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，其主要包括如下步骤：
步骤一：根据加工工艺要求和材料属性要求，设置最佳的激光加工工艺参数；
步骤二：利用高斯型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对靶材进行通孔加工；
步骤三：利用监测装置对靶材进行监测，当靶材被高斯激光加工成通孔时进入下一加工步骤；
步骤四：将激光束的能量分布从高斯型分布转换成平顶型能量分布；
步骤五：利用平顶型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对所加工孔的形貌进行修复型加工；
步骤六：利用监测装置对靶材进行监测，当满足所预期的微孔出口形貌时进入下一加工步骤；
步骤七：移动靶材相对于激光束到下一加工位置，并将激光束调整到初始加工设置，实现周期加工。
进一步的，所述根据加工工艺要求和材料属性要求，设置合适的激光加工工艺参数时，按照以下原则对激光加工参数进行设定：使得在利用高斯型能量分布的激光束穿透靶材时获得最快加工效率；使得在利用平顶型能量分布的激光束修复微孔形貌时获得最好的微孔形貌质量；并且激光加工过程中离焦量是相对于整个加工平面而设置。
进一步的，所述利用监测装置对靶材进行监测时，只监测靶材被激光加工的加工面背面形貌。
进一步的，所述利用监测装置对靶材进行监测，当满足工艺要求二时进入下一加工步骤中，利用监测装置对靶材进行实时监测只监测所加工微孔出口的加工形貌。
进一步的，所述将激光束调整到初始加工设置包括将激光束的能量分布从平顶型分布调整为高斯型分布，并使激光的聚焦位置满足新的微孔的加工流程。
本发明提供一种大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，由于利用高斯型能量分布的激光束加工微孔时具有加工效率高，所加工微孔深度大的优点和利用平顶型能量分布的激光束加工微孔时具有加工微孔形貌质量好，避免旋切式加工的优点，将两种不同能量分布的激光束次序结合起来进行微孔加工，所加工微孔具有形貌质量好，深径比大，加工效率高的优点；利用高斯型能量分布的激光首先将材料穿透再利用平顶型能量分布的激光对微孔进行形貌修复能够有效解决加工过程中的导屑问题和等离子体对激光的屏蔽问题，提高激光的能量利用率；本加工方法由于采用平顶型能量分布的激光束对微孔形貌进行修复，可以避免采用激光旋切的加工方式，缩短微孔加工时间，提升微孔的加工效率，并且还可以有效避免由于运动平台的运动误差对微孔的形貌质量产生的影响；采用过程判断和控制的方法，能够提高系统的加工效率和面向大数量孔加工要求时微孔质量。
本发明中使用的表述“示例性实施例”、“示例”等不是指同一实施例，而是被提供来着重描述不同的特定特征。然而，上述示例和示例性实施例不排除他们与其他示例的特征相组合来实现。例如，即使在另一示例中未提供特定示例的描述的情况下，除非另有陈述或与其他示例中的描述相反，否则该描述可被理解为与另一示例相关的解释。
本发明中使用的术语仅用于示出示例，而无意限制本发明。除非上下文中另外清楚地指明，否则单数表述包括复数表述。
虽然以上示出并描述了示例实施例，但对本领域技术人员将明显的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可做出变型和改变。

Claims (4)

1.一种面向大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据加工工艺要求和材料属性要求，设置最佳的激光加工工艺参数；
步骤二：利用高斯型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对靶材进行通孔加工；
步骤三：利用监测装置对靶材进行监测，当靶材被高斯激光加工成通孔时进入下一加工步骤；
步骤四：将激光束的能量分布从高斯型分布转换成平顶型能量分布；
步骤五：利用平顶型能量分布的激光束采用冲击式加工工艺对所加工孔的形貌进行修复型加工；
步骤六：利用监测装置对靶材进行监测，当满足所预期的微孔出口形貌时进入下一加工步骤；
步骤七：移动靶材相对于激光束到下一加工位置，并将激光束调整到初始加工设置，实现周期加工。
2.根据权利要求1所述的一种面向大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，其特征在于，所述根据加工工艺要求和材料属性要求，设置合适的激光加工工艺参数时，按照以下原则对激光加工参数进行设定：使得在利用高斯型能量分布的激光束穿透靶材时获得最快加工效率；使得在利用平顶型能量分布的激光束修复微孔形貌时获得最好的微孔形貌质量；并且激光加工过程中离焦量是相对于整个加工平面而设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，其特征在于，所述利用监测装置对靶材进行监测时，只监测靶材被激光加工的加工面背面形貌。
4.根据权利要求1或2所述的一种面向大深径比微孔高精度高效率的超快激光加工方法，其特征在于，所述将激光束调整到初始加工设置包括将激光束的能量分布从平顶型分布调整为高斯型分布，并使激光的聚焦位置满足新的微孔的加工流程。
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