CN113210893A - 一种复合激光打孔方法及激光打孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光打孔技术领域，公开了一种复合激光打孔方法及激光打孔装置；复合激光打孔方法，包括如下步骤：S1、根据打孔参数及工件的特性，选择可调连续激光器的型号，并确定可调连续激光器的纤芯的直径和环芯的直径；S2、根据所述打孔参数和所述工件的特性，调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，设置激光加工时间和保护气气压，并根据打孔后孔的特性，包括重铸层的厚度和锥度，再次调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，设置激光加工时间和保护气气压，直至不出现重铸层；S3、可调连续激光器根据打孔参数，在工件上打孔，打孔过程中，纤芯和环芯同时作用于工件上，采用静态和动态相结合的方式打孔，孔型质量高。

Description

一种复合激光打孔方法及激光打孔装置

技术领域

本发明属于激光打孔技术领域，尤其涉及一种复合激光打孔方法及激光打孔装置。

背景技术

激光具有高能量密度和高功率密度的特点已经广泛应用于加工制造业，其中激光打孔是最早实用化的激光材料加工技术。激光打孔技术是指通过光学系统传输后被聚焦的激光辐照材料表面，在激光的高功率密度作用下，材料在极短的时间内产生温升直至熔化、气化甚至等离子体化后被排除，在此过程中实现材料的去除，以达到打孔的目的。

根据激光与控制平台的相对位置是否变化，激光打孔分为静态打孔和动态打孔。静态打孔主要包括单脉冲打孔和多脉冲冲击打孔；动态打孔主要包括旋切钻孔和螺旋打孔。静态打孔一般是通过毫秒和纳秒级别脉宽的激光对材料进行的打孔。微秒、纳秒脉宽的激光有较高的材料去除率，但会导致一定的热影响区。动态打孔方式通常采用飞秒或皮秒激光，超快激光的热影响区非常小，以这种方式打孔可以得到更高质量的孔型，但相对来讲打孔的效率较低，对于一个微孔需要几百甚至上千个超快激光脉冲来进行处理。

超快激光器作用出的孔虽然孔型质量较高，但其作用材料的厚度通常在1mm以下，厚度较小，孔径小于百微米量级，孔径较小，打孔过程中材料去除率比较低，导致其应用范围较小。

现使用的复合激光打孔技术一般为两台或多台激光器，采用微秒或纳秒和飞秒或皮秒脉冲激光器共同作用在零件上进行打孔的技术。但是，脉冲激光器的脉宽有一定的占空比，且打孔效率低。

因此，亟需一种复合激光打孔方法及激光打孔装置，以解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种复合激光打孔方法及激光打孔装置，其具有较高的材料去除率，又有较小的热影响区，能够得到较高质量的孔型，而且打孔效率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种复合激光打孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据打孔参数及工件的特性，选择可调连续激光器的型号，并确定可调连续激光器的纤芯的直径和环芯的直径；

S2、根据所述打孔参数和所述工件的特性，调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，设置激光加工时间和保护气气压，并根据打孔后孔的特性，包括重铸层的厚度和锥度，再次调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，并设置激光加工时间和保护气气压，直至不出现重铸层；

S3、所述可调连续激光器根据所述打孔参数，在所述工件上打孔，打孔过程中，所述纤芯和所述环芯同时作用于工件上。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，在步骤S1之后，步骤S2之前还包括步骤S11，将所述工件置于所述可调连续激光器的激光加工头下，调整所述可调连续激光器的喷嘴和所述工件上表面之间的距离至预设阈值。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，在步骤S11之后，步骤S2之前还包括步骤S12，开启并进入可调连续激光器的光束模式调节系统。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，所述打孔参数包括孔的个数，每个孔的坐标、孔径和锥度，所述孔的直径小于或等于2mm。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，所述工件的特性包括工件的材质和厚度，所述工件的厚度小于或等于2mm。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，所述喷嘴与所述纤芯所发出的激光束同轴。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，所述纤芯所发出的激光束为高斯光束，且所述纤芯的直径为50μm-100μm；所述环芯所发出的激光束为平顶光束，且所述环芯的直径为150μm-300μm。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，所述可调连续激光器的波长范围是1070nm。

作为一种复合激光打孔方法的优选技术方案，所述可调连续激光器的功率为3000W-8000W。

第二方面，提供一种激光打孔装置，其包括可调连续激光器，所述可调连续激光器采用了如上所述的复合激光打孔方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

根据打孔参数及工件的特性，选择可调连续激光器，并确定可调连续激光器的纤芯的直径和环芯的直径；根据打孔参数、工件的特性及重铸层的厚度，调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，并设置激光加工时间和保护气气压；可调连续激光器根据打孔参数，在工件上打孔。纤芯所发出的激光束为高斯光束，环芯所发出的激光束为平顶光束，打孔过程中，纤芯和环芯同时作用于工件上。

可调连续激光器可以同时发出两种光束，采用静态和动态相结合的方式打孔，其具有较高的材料去除率，又有较小的热影响区，能够得到较高质量的孔型，而且打孔效率高。再者可调连续激光器的功率可调，可以适用于不同的打孔需求，使其应用范围比较广泛。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的复合激光打孔方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的复合激光打孔方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种复合激光打孔方法，其包括如下步骤：

S1、根据打孔参数及工件的特性，选择可调连续激光器的型号，并确定可调连续激光器的纤芯的直径和环芯的直径；

S2、根据所述打孔参数和所述工件的特性，调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，设置激光加工时间和保护气气压，并根据打孔后孔的特性，包括重铸层的厚度和锥度，再次调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，并设置激光加工时间和保护气气压，直至不出现重铸层。

S3、所述可调连续激光器根据所述打孔参数，在所述工件上打孔，打孔过程中，所述纤芯和所述环芯同时作用于工件上。

实施例二

本实施例公开了一种激光打孔装置，其包括可调连续激光器，可调连续激光器采用了一种复合激光打孔方法。

其中，如图2所示，复合激光打孔方法包括如下步骤：

S0、确定工件的打孔参数及工件的特征，具体地，打孔参数包括孔的个数，每个孔的坐标、孔径和锥度，其中孔的直径小于或等于2mm。工件的特性包括工件的材质和厚度，其中工件的厚度小于或等于2mm。可调连续激光器的波长范围是1070nm，可调连续激光器的功率为3000W-8000W。

S1、根据打孔参数及工件的特性，选择可调连续激光器的型号，并确定可调连续激光器的纤芯的直径和环芯的直径。其中，纤芯所发出的激光束为高斯光束，且纤芯的直径为50μm-100μm；环芯所发出的激光束为平顶光束，且环芯的直径为150μm-300μm。

S11、将工件置于可调连续激光器的激光加工头下，调整可调连续激光器的喷嘴和工件上表面之间的距离至预设阈值。喷嘴与纤芯及环芯所发出的激光束同轴，可以实现打孔材料的去除，即将工件在孔处的材料去除。

S12、开启并进入可调连续激光器的光束模式调节系统。

S2、根据打孔参数和工件的特性，调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，设置激光加工时间和保护气气压，并根据打孔后孔的特性，包括重铸层的厚度和锥度，再次调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，并设置激光加工时间和保护气气压，直至不出现重铸层。

S3、可调连续激光器根据打孔参数，在工件上打孔，打孔过程中高斯光束和平顶光束同时作用于工件上。具体地，在控制软件上编辑打孔参数，控制软件并根据输入的打孔参数，控制可调连续激光器在工件上打孔。

具体实施例一

针对0.5mm厚铝合金壳体，采用激光加工直径为0.4mm的孔。选择可调连续激光器的型号，其纤芯的直径为50μm，环芯的直径为150μm。

将壳体置于激光加工头下，调整壳体的上平面为可调连续激光器焦点处。

调整喷嘴，保证其和激光器的激光束同轴，且其和壳体的上表面的距离小于1mm。

设置可调连续激光器纤芯的功率为1000W，环芯的功率为500W，喷嘴气压为0.6MPa，激光作用时间为30ms。激光作用的同时，喷嘴气体开启，经过复合激光打孔，孔的正面直径为0.4mm，孔的背面直径为0.36mm，孔的锥度仅为40μm，背面仅有少量的金属屑。

具体实施例二

针对1.5mm厚铝合金壳体，用激光加工直径为2mm的孔。

选择可调连续激光器的型号，其纤芯直径为100μm，环芯直径为300μm。

将壳体置于激光加工头下，调整壳体的上平面为可调连续激光器焦点处。

调整喷嘴，保证其和激光器的激光束同轴，且其和壳体的上表面的距离小于1mm。

设置可调连续激光器纤芯的功率为3000W，环芯的功率为1500W，喷嘴气压为1MPa，激光作用时间为200ms。激光作用的同时，喷嘴气体开启。经过复合激光打孔，孔的正面直径为2mm，孔背面直径为2.05mm，孔的锥度仅为50μm，背面仅有少量的金属屑。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合激光打孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据打孔参数及工件的特性，确定可调连续激光器的纤芯的直径和环芯的直径；

S2、根据所述打孔参数和所述工件的特性，调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，设置激光加工时间和保护气气压，并根据打孔后孔的特性，包括重铸层的厚度和锥度，再次调整高斯模式激光功率和平顶模式激光功率，并设置激光加工时间和保护气气压，直至不出现重铸层；

S3、所述可调连续激光器根据所述打孔参数，在所述工件上打孔，打孔过程中，所述纤芯和所述环芯同时作用于工件上。

2.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，在步骤S1之后，步骤S2之前还包括步骤S11，将所述工件置于所述可调连续激光器的激光加工头下，调整所述可调连续激光器的喷嘴和所述工件上表面之间的距离至预设阈值。

3.根据权利要求2所述的复合激光打孔方法，其特征在于，在步骤S11之后，步骤S2之前还包括步骤S12，开启并进入可调连续激光器的光束模式调节系统。

4.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，所述打孔参数包括孔的个数，每个孔的坐标、孔径和锥度，所述孔的直径小于或等于2mm。

5.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，所述工件的特性包括工件的材质和厚度，所述工件的厚度小于或等于2mm。

6.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，所述喷嘴与所述纤芯所发出的激光束同轴。

7.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，所述纤芯所发出的激光束为高斯光束，且所述纤芯的直径为50μm-100μm；所述环芯所发出的激光束为平顶光束，且所述环芯的直径为150μm-300μm。

8.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，所述可调连续激光器的波长范围是1070nm。

9.根据权利要求1所述的复合激光打孔方法，其特征在于，所述可调连续激光器的功率范围为3000W-8000W。

10.一种激光打孔装置，其特征在于，其包括可调连续激光器，所述可调连续激光器采用了如权利要求1-9中任一项所述的复合激光打孔方法。

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