CN1131122C - 一种激光打孔装置及其二步打孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光应用装置及激光加工技术。其装置包括一台长脉冲的长波长激光器和一台短脉冲的短波长激光器，两束相互垂直的激光交汇处设有一个与两束光轴线均成45°的透射/反射平面镜。在该镜输出光路上设有能沿光路方向移动位置的聚焦透镜，其打孔过程分为两步：(1)调节聚焦透镜的前后位置，打开长波长激光器输出激光脉冲，工件穿孔后关闭输出；(2)调节聚焦透镜的前后位置使聚焦在工件待加工面上的激光焦斑等于所要加工的孔径，打开短波长激光器输出激光脉冲。本发明装置及打孔方法，相比长波长激光快速穿孔提高了加工孔的质量；相比用短波长激光进行打孔提高了工作效率。因此更加有利于工业化应用。

Description

一种激光打孔装置及其二步打孔方法
技术领域
本发明涉及激光应用装置，也涉及激光加工技术。
背景技术
现有技术中，激光加工已经成为汽车、航空、电子等行业的重要加工手段，它不仅可以用来制作常规方法难以制作的微小结构，而且也可以用来加工常规方法难以加工的高硬度材料。例如在微电子行业，激光已经被用来切割硅片、制作合金化的半导体p-n结以及集成电路的封装等。激光打孔是目前最为成熟的技术。它常被用于对片状金属、陶瓷、复合材料的打孔加工中，它可以方便快捷地在超硬材料上打出一系列孔径和倾角均可调的通孔。例如用于飞机发动机和火力发电机的涡轮叶片上的打孔加工。
激光打孔一般是采用高功率的脉冲Nd：YAG激光器作为激光光源，并将待加工工件放置在出射激光的光路上。激光打孔过程是一个烧蚀过程。首先，当一束高能激光脉冲轰击到工件表面时，工件表面温度急剧升高，工件的表面物质会在很短的时间内吸收激光脉冲的部分能量发生汽化，而亚表面物质会吸收余下的能量产生熔化。然后，当激光脉冲消失后，由于工件表面的冷却，使得亚表面部分温度最高，亚表面物质的熔化、蒸发会产生很高的压力，把部分熔融物质挤压到工件体外，并以气化等离子体的形式从工件表面喷出。周而复始地重复激光脉冲，工件即被穿孔。在激光打孔的过程中，由于热传导作用，在孔的周围区域通常会形成热影响区，并产生重铸层、微裂纹等现象，这将直接影响到工件的性能和使用寿命。因此，如何充分利用激光的高能量进行孔加工，同时尽可能降低其因高温带来的负面影响，一直是科技工作者面临的重大课题。
近年的研究表明，采用短波长超短脉冲激光会有利于提高打孔的质量。例如US6172331中公开的利用调Q脉冲Nd：YAG的二倍频532nm激光进行打孔的方法，能有效地减少打孔中形成的热影响区、重铸层和微裂纹现象。对于相同厚度、同样材料的工件，使用常规的长波长激光，例如不调Q的脉冲Nd：YAG基频1064nm激光打孔，只需不到1秒即可穿孔，它的打孔速度快，但成孔质量差；而采用短波长激光打孔，例如上述长波长激光调Q并4倍频后的266nm激光，却需要2～3分钟才能穿孔，它的打孔速度慢，但成孔质量好。这些缺陷给大规模工业化使用带来不利影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能提高打孔质量并具有较高打孔速度的激光打孔装置及其打孔方法。
本发明的激光打孔装置，其特征在于，它包括有一台长脉冲的长波长激光器(S1)和一台短脉冲的短波长激光器(S2)，两台激光器安装在同一底座上，其输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直；两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成45°的透射/反射平面镜，两激光束分别位于平面镜的两侧；该平面镜是能够透射S1所输出的长波长激光、并能够反射S2所输出的短波长激光的光学平面镜，或者是能够透射S2所输出的短波长激光，同时能够反射S1所输出的长波长激光的光学平面镜；在所述平面镜输出激光的光路上设有一聚焦透镜，该聚焦透镜放置在能沿光路方向移动位置的导轨上。
使用上述激光打孔装置进行打孔的方法，包括将上述激光打孔装置置于待加工件的前方，并使激光轴线射到工件的待加工面上，其特征在于，打孔过程分为两步：(1)调节聚焦透镜的前后位置，使其聚焦在工件待加工面上的激光焦斑小于所要加工的孔径，一般取所要加工孔径的80％～90％，然后打开长波长激光器S1输出激光脉冲，工件穿孔后关闭长波长激光器S1输出；(2)调节聚焦透镜的前后位置使聚焦在工件待加工面上的激光焦斑等于所要加工的孔径，使短波长激光器S2输出激光脉冲，至无等离子体喷射现象时即打孔结束，关闭其输出。
本发明的激光打孔装置及打孔的方法，是将两台不同波长的激光器组装在同一底座上，将用以聚焦的凸透镜放置在能相对底座作移动的导轨上，因而能方便地前后调整其位置，来调节在工件表面的激光焦斑的大小，有效地缩短调整时间，有利于在较短时间内实现两步打孔。本发明的打孔的方法，其对每个孔的加工均分两步进行，其加工过程是先用长波长激光快速穿孔，然后再采用短波长激光扩出成形孔。在扩孔成形过程中，激光能同时修复快速穿孔过程形成的缺陷，即清除该孔内壁周围的重铸层、微裂纹和热影响区等，从而最终实现了用较短的时间打出较高质量的孔。其原因在于，激光波长越短，光子能量越高，对金属作用的能量越大，同时材料对短波长激光的吸收率高，所以其激光能量的耦合效率高，真正用来汽化工件物质的能量的比例也高。如果熔融物质达到完全汽化的程度，则将完全从孔内喷出，不会凝聚在孔壁内形成重铸层以及微裂纹等。本发明所述的打孔装置及打孔方法，相比现有技术中使用长波长激光快速穿孔来说，本发明有效地提高了加工孔的质量；相比现有技术中单纯采用短波长激光进行打孔的情况，本发明大大提高了工作效率。因此本发明的激光加工装置及打孔的方法，更加有利于工业化应用。
附图说明
下面通过实施例及其附图作进一步说明。
图1是本发明的激光打孔装置的一种实施例的结构示意图。
图2是本发明的激光打孔装置中所述放置聚焦凸透镜的导轨机构的结构示意图。
具体实施方式
图1中，1为长波长激光器S1。2为短波长激光器S2。3为透射/反射平面镜M1，它是能够完全透射S1所输出的激光、并能够完全反射S2所输出的激光的透射/反射光学平面镜。4为聚焦凸透镜M2。5为底板。S1、S2、M1、M2均安装在此底板上。长波长激光器S1与短波长激光器S2输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直，透射/反射光学平面镜M1放置与两束激光轴线的交汇处，并分别与两轴线成45°角，两激光束分别位于平面镜的两侧。6为放置聚焦凸透镜M2的导轨机构。7为待加工工件，聚焦凸透镜输出的激光轴线与待加工面垂直。为了调整方便以及使激光焦斑达到最大的功率密度，本实施例中使激光器S1与平面镜中心的距离L1等于激光器S2与平面镜中心的距离L2，并且平面镜中心与聚焦透镜的距离L3在8-15cm之间。在实际使用中，如将长波长激光器S1与短波长激光器S2的位置互换，则所用透射/反射平面镜M1应是能够完全透射S2所输出的短波长激光，同时能够完全反射S1所输出的长波长激光的光学平面镜。
图2中，8为与聚焦凸透镜M2固连的移动滑块。9为导轨底座，其两侧设有用于固定的定位孔。移动滑块与导轨底座的接触面设有配合的V型槽，构成能相对滑动的导轨机构。10为螺杆，它和移动滑块孔中的内螺纹相配合，构成螺杆、螺母机构。螺杆两端支承在导轨底座上，其右端伸至导轨底座外侧，并与步进电机11的主轴连接。当启动步进电机时，由于螺杆、螺母机构的作用，则使移动滑块能相对作导轨底座移动，由此带动聚焦凸透镜位移，起到调节聚焦凸透镜M2位置的作用。

Claims (5)

1.一种激光打孔装置，其特征在于，它包括有一台长脉冲的长波长激光器(S1)和一台短脉冲的短波长激光器(S2)，两台激光器安装在同一底座上，其输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直；两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成45°的透射/反射平面镜，两激光束分别位于平面镜的两侧；在所述平面镜输出激光的光路上设有一聚焦透镜，该聚焦透镜放置在能沿光路方向移动位置的导轨上。
2.如权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述透射/反射平面镜是能够透射S1所输出的长波长激光、并能够反射S2所输出的短波长激光的光学平面镜。
3.如权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述透射/反射平面镜是能够透射S2所输出的短波长激光、并能够反射S1所输出的长波长激光的光学平面镜。
4.使用权利要求1所述激光打孔装置进行二步打孔的方法，包括将上述激光打孔装置置于待加工件表面的前方，并使工件的待加工面放在其输出的激光轴线上，其特征在于，打孔过程分为两步：(1)调节聚焦透镜的前后位置，使其聚焦在工件待加工面上的激光焦斑小于所要加工的孔径，然后打开长波长激光器S1输出激光脉冲，工件穿孔后关闭长波长激光器S1输出；(2)调节聚焦透镜的前后位置使聚焦在工件待加工面上的激光焦斑等于所要加工的孔径，使短波长激光器S2输出激光脉冲，至无等离子体喷射现象时关闭其输出。
5.如权利要求4所述的二步打孔的方法，其特征在于，所述打孔过程的第一步中调节聚焦透镜的前后位置，使其聚焦在工件待加工面上的激光焦斑是加工孔径的80％～90％。
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