CN114131220A - 一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，包括如下步骤：设沿硬脆透明材料厚度方向自下而上的加工层数为P，选择第1到第Q层采用振镜扫描模式，沿材料厚度方向自下而上进行分层加工小孔，激光扫描完一层，激光焦点向上步进一层，第Q层加工完成后，冷却硬脆透明材料；其中，P‑5≤Q≤P‑1；将第Q+1层到第P层采用激光矢量打点模式进行小孔加工。本发明可以有效的减小高重频纳秒激光的热累积作用，进而减小小孔边缘的崩边，获得边缘质量良好的小孔。

Description

一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法。
背景技术
在精密加工领域，对于像玻璃、石英、蓝宝石等高硬度、高熔点的透明硬脆材料，使用传统打孔方法如机械钻孔存在一定的局限性，容易造成打孔边缘不规则，表面崩边严重，影响材料的强度与性能，并且加工出的小孔的孔径较大，不适合加工直径2mm以下的小孔。
激光加工技术是一种无接触、热损伤小、加工灵活的精密加工技术，其加工材料范围广、可获得较大深径比的孔，并且易于与计算机连接实现自动化控制。因此，激光加工技术被认为是实现脆性材料高效精密制孔的一个有效途径。对于在玻璃等透明硬脆材料上加工小孔，普遍采用的是高重频纳秒激光进行加工，纳秒激光的热作用会诱导产生局部热应力梯度，导致有限空间范围内的材料产生崩裂并以微小颗粒的形式掉落，因此在加工过程中常存在不规则的崩边现象，特别是当加工到接近上表面时，材料厚度较薄，强度较低，特别容易造成孔边缘崩边严重，降低加工质量。根据玻璃的厚度以及具体加工尺寸的不同，当加工深径比达到或者超过5:1的小孔时，通过控制脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、光束扫描路径等因素，目前采用纳秒激光加工技术所能达到的最小崩边尺寸约为130μm。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，选用纳秒激光作为激光加工的能量源，首先将焦点聚焦在样件下表面，沿螺旋线轨迹由内而外扫描去除材料，然后向上步进分层加工，当加工余量靠近上表面时，改用矢量打点模式进行加工。该方法不但极大的提高了透明硬脆材料小孔加工的加工效率，降低了生产成本，还有效地优化了孔边缘的加工质量，减小了边缘崩边。而且使用该方法加工出的小孔几乎没有锥度，垂直度高。同时，该方法可实现连续化自动化生产，在透明硬脆材料加工方面有着极大地应用潜力。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，包括如下步骤：
设沿硬脆透明材料厚度方向自下而上的加工层数为P，选择第1到第Q层采用振镜扫描模式，沿材料厚度方向自下而上进行分层加工小孔，激光扫描完一层，激光焦点向上步进一层，第Q层加工完成后，冷却硬脆透明材料；其中，P-5≤Q≤P-1；
将第Q+1层到第P层采用激光矢量打点模式进行小孔加工。
进一步，所述硬脆透明材料加工前需要超声清洗，具体如下：将硬脆透明材料浸没在盛有无水乙醇的玻璃烧杯中，然后利用超声清洗机中进行超声清洗，去除表面污染物；清洗后将硬脆透明材料表面烘干。
进一步，所述沿硬脆透明材料的厚度与加工的小孔直径比为5:1～20:1。
进一步，第Q层加工完成后，停止出光使硬脆透明材料加工区域冷却5-10s。
进一步，第1到第Q层采用振镜扫描模式，其扫描图案外圆直径0.5-5mm，向内填充，填充间距为0.01-0.1mm。
进一步，沿硬脆透明材料厚度方向自下而上的加工层间距为0.01-0.1mm。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，通过选择合适的激光波长、脉冲宽度、重复频率、平均功率、脉冲能量、扫描速度、层间距等参数，使激光焦平面处的材料崩裂、熔化和气化，实现微孔的高效、精密加工。
2.本发明所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，通过采用纳秒激光以自下而上逐层递进加工和环切打孔方式，可以避免等离子体屏蔽效应，加工产生的残渣从孔下方掉落，不会阻碍后续激光束与材料的作用，加工出的小孔垂直度高，几乎没有锥度。
3.本发明所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，在靠近上表面时采用矢量打点模式，在单脉冲能量不变的前提下，通过控制激光加工时在每个点的脉冲个数，并适当增加打点位置间距，从而有效减小激光脉冲形成的热累积，进而降低激光作用区域的热应力梯度，减小崩边缺陷，提高小孔的边缘质量。
附图说明
图1为本发明所述的振镜扫描模式的扫描图案示意图。
图2为本发明实施例2超白玻璃小孔微观形貌：图2a为小孔上表面微观形貌，图2b为小孔下表面微观形貌。
图3为本发明实施例2超白玻璃小孔宏观形貌：图3a为超白玻璃俯视图，图3b为超白玻璃侧视图。
图4为本发明实施例3硼硅玻璃小孔微观形貌：图4a为小孔上表面微观形貌，图4b为小孔下表面微观形貌。
图5为本发明实施例3硼硅玻璃小孔宏观形貌：图5a为硼硅玻璃俯视图，图5b为硼硅玻璃侧视图。
图6为现有技术加工超白玻璃小孔宏观形貌：图6a为小孔上表面微观形貌，图6b为小孔下表面微观形貌。
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。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本发明所述的透明硬脆材料小孔激光加工技术，其具体过程加工如下：
选取厚度为20mm超白玻璃，使其浸没在盛有无水乙醇的玻璃烧杯中，再放入盛有清水的超声清洗机中进行超声清洗2分钟，去除表面污染物。取出样件，利用热风机烘干表面残留水分。将超白玻璃保持水平固定在二维移动平台上，调整样件位置，激光光斑聚焦于需要加工的位置，并调整振镜的高度，使激光焦点聚焦于样件下表面。振镜扫描模式的扫描图案为螺旋线，需要加工的小孔直径为1mm，螺旋线填充间距0.05mm，如图1所示。
将沿超白玻璃厚度方向自下而上的加工层数设为P＝134层，层间距设置为0.1mm，每层扫描3次。选择第1到第133层采用振镜扫描模式，沿材料厚度方向自下而上进行分层加工小孔，激光扫描完一层，激光焦点向上步进一层，第133层加工完成后，然后停止出光5-10s，充分冷却超白玻璃；第134层选择矢量打点模式进行加工，设置每个点脉冲数为5个。设置平均功率16W，脉冲重复频率100kHz，扫描速度1000mm/s，开光延时100μs，关光延时150μs，跳转延时50μs，开始小孔加工，完成后用高压气流吹去孔内及上下表面的熔渣，最后在超白玻璃上获得上下表面孔边缘质量好、几乎无锥度的小孔。
实施例2：
本发明所述的透明硬脆材料小孔激光加工技术，其具体过程加工如下：
选取厚度为9mm超白玻璃，使其浸没在盛有无水乙醇的玻璃烧杯中，再放入盛有清水的超声清洗机中进行超声清洗2分钟，去除表面污染物。取出样件，利用热风机烘干表面残留水分。将超白玻璃保持水平固定在二维移动平台上，调整样件位置，激光光斑聚焦于需要加工的位置，并调整振镜的高度，使激光焦点聚焦于样件下表面。振镜扫描模式的扫描图案为螺旋线，需要加工的小孔直径为1mm，螺旋线填充间距0.05mm，如图1所示。
将沿超白玻璃厚度方向自下而上的加工层数设为P＝60层，层间距设置为0.1mm，每层扫描3次。选择第1到第57层采用振镜扫描模式，沿材料厚度方向自下而上进行分层加工小孔，激光扫描完一层，激光焦点向上步进一层，第57层加工完成后，然后停止出光5-10s，充分冷却超白玻璃；第58-60层选择矢量打点模式进行加工，设置每个点脉冲数为5个，其他工艺参数不变，开始小孔加工，完成后用高压气流吹去孔内及上下表面的熔渣，最后在超白玻璃上获得上下表面孔边缘质量好、几乎无锥度的小孔。对实施例2所获得的小孔的孔径和崩边进行测量，图2a和图2b所示，矢量打点模式下超白玻璃小孔上下表面孔径以及崩边尺寸，小孔上下表面直径分别为929μm和918μm，孔锥度极小，小孔上下表面最大崩边分别为65μm和39μm，相比于传统加工模式有极大的提高。图3a和图3b所示，矢量打点模式下超白玻璃小孔宏观形貌图。可以看出小孔的垂直度高，深径比较大，小孔贯通性好。
实施例3：
本发明所述的透明硬脆材料小孔激光加工技术，其具体过程加工如下：
选取厚度为5mm硼硅玻璃(BF33)，使其浸没在盛有无水乙醇的玻璃烧杯中，再放入盛有清水的超声清洗机中进行超声清洗2分钟，去除表面污染物。取出样件，利用热风机烘干表面残留水分。将硼硅玻璃保持水平固定在二维移动平台上，调整样件位置，激光光斑聚焦于需要加工的位置，并调整振镜的高度，使激光焦点聚焦于样件下表面。振镜扫描模式的扫描图案为螺旋线，需要加工的小孔直径为1mm，螺旋线填充间距0.05mm，如图1所示。
将沿硼硅玻璃厚度方向自下而上的加工层数设为P＝34层，层间距设置为0.1mm，每层扫描3次。选择第1到第29层采用振镜扫描模式，沿材料厚度方向自下而上进行分层加工小孔，激光扫描完一层，激光焦点向上步进一层，第29层加工完成后，然后停止出光5-10s，充分冷却超白玻璃；第30-34层选择矢量打点模式进行加工，设置每个点脉冲数为5个，其他工艺参数不变，开始小孔加工，完成后用高压气流吹去孔内及上下表面的熔渣，最后在超白玻璃上获得上下表面孔边缘质量好、几乎无锥度的小孔。
对实施例3所获得的小孔的孔径和崩边进行测量，图4a和图4b所示，矢量打点模式下硼硅玻璃小孔上下表面孔径以及崩边尺寸，小孔上下表面直径分别为920μm和914μm，小孔上下表面最大崩边分别为66μm和56μm，与实例2测量结果相近，相比于传统加工模式有极大的提高。图5a和图5b所示，矢量打点模式下硼硅玻璃小孔宏观形貌图，可以看出小孔的垂直度高，深径比较大，小孔贯通性好。
对比例：
同样选取厚度为9mm超白玻璃样件，使其浸没在盛有无水乙醇的玻璃烧杯中，再放入盛有清水的超声清洗机中进行超声清洗2分钟，去除表面污染物。取出样件，利用热风机烘干表面残留水分。将超白玻璃样件保持水平固定在二维移动平台上，调整样件位置，激光光斑落在需要加工的位置，并调整振镜的高度，使激光焦点聚焦于样件下表面。总加工层数为60层，层间距设置为0.1mm，每层扫描3次。1-60层都采用普通振镜加工模式进行加工。设置平均功率16W，脉冲重复频率100kHz，扫描速度1000mm/s，开光延时100μs，关光延时150μs，跳转延时50μs，开始小孔加工，完成后用高压气流吹去孔内及上下表面的熔渣，最后在超白玻璃上获得上下表面孔边缘质量较好、几乎无锥度的小孔。
将对比例所获得的小孔的孔径和崩边进行测量，图6a和图6b所示，采用普通振镜下模式超白玻璃小孔上下表面孔径以及崩边尺寸，可以看出上下表面最大崩边分别为121μm和60μm，约为矢量打点模式的2倍
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：
设沿硬脆透明材料厚度方向自下而上的加工层数为P，选择第1到第Q层采用振镜扫描模式，沿材料厚度方向自下而上进行分层加工小孔，激光扫描完一层，激光焦点向上步进一层，第Q层加工完成后，冷却硬脆透明材料；其中，P-5≤Q≤P-1；
将第Q+1层到第P层采用激光矢量打点模式进行小孔加工。
2.根据权利要求1所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，其特征在于，所述硬脆透明材料加工前需要超声清洗，具体如下：将硬脆透明材料浸没在盛有无水乙醇的玻璃烧杯中，然后利用超声清洗机中进行超声清洗，去除表面污染物；清洗后将硬脆透明材料表面烘干。
3.根据权利要求1所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，其特征在于，所述硬脆透明材料的厚度与加工的小孔直径比为5:1～20:1。
4.根据权利要求1所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，其特征在于，第Q层加工完成后，停止出光使硬脆透明材料加工区域冷却5-10s。
5.根据权利要求1所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，其特征在于，第1到第Q层采用振镜扫描模式，其扫描图案外圆直径0.5-5mm，向内填充，填充间距为0.01-0.1mm。
6.根据权利要求1所述的基于激光脉冲控制的在透明硬脆材料中加工小孔的方法，其特征在于，沿硬脆透明材料厚度方向自下而上的加工层间距为0.01-0.1mm。
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