CN1785577A - 一种激光打孔方法及其打孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光打孔方法及其打孔装置，工件保持不动，先加工出小孔D1，再加工出孔径为3/5D3～3/4D3的孔D2，最后旋切得到要求的孔D3。装置包括相互联接的激光器及其光学导光部件、激光聚焦镜部件等；激光聚焦镜部件从上到下主要是X轴、Y轴45度全反镜、上导轨架、X轴移动架、中间导轨架、Y轴移动架、聚焦镜头；X轴移动架可沿上导轨架X轴向相对滑动，Y轴移动架沿中间导轨架Y轴向相对滑动。本发明适合打的孔的孔径D3为0.5mm～2mm，加工质量高。

Description

一种激光打孔方法及其打孔装置

技术领域

本发明涉及一种采用自由激光脉冲和调制激光脉冲复合进行高质量微孔加工的方法及根据此方法所设计的装置，属于激光加工技术领域。

背景技术

激光打孔与其它打孔方法相比具有加工灵活、成本低、加工速度快、效率高、无接触、能在空气中传输、打孔深径比高、可加工任意材料、环保等优点，已广泛应用于对陶瓷和复合材料的打孔，也可以在超硬及高温合金材料打出一系列孔径和具有一定倾角的孔，例如飞机发动机涡轮叶片的打孔。

目前激光打孔方法，主要包括复制法和回转法。复制法又包括单脉冲打孔和多脉冲打孔。单脉冲打孔适用于薄板零件打盲孔时使用，深孔加工一般采用多脉冲打孔，即采用一系列脉宽较窄的调制脉冲打孔。采用声光调制激光脉冲进行打孔，可以减少激光打孔中的再铸层和微裂纹以及热影响区大等一系列问题，但所打孔的孔径较小，打孔的速度慢，而且对较大的孔径无能为力。采用自由运转激光脉冲打孔，所打孔的孔径较大，且打孔速度快，但成孔的质量较差。现在激光加工较大孔径的孔时，多采用回转法，即工件绕以偏离激光聚焦斑点中心距离D/2的轴回转。当回转速度较慢(相对脉冲激光发射频率而言)时，相当于切割，回转一周，就在工件上切下一个孔径为D的孔。但采用回转法切孔时需要的激光能量较大，所切孔的质量较差，况且现在已有的激光切割设备价格昂贵，效率低。上述几点限制了激光加工技术的发展。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用自由激光脉冲和调制激光脉冲相复合的激光打孔方法及为实现该方法而设计的打孔装置；解决了现有的复制法不能打大孔，而回转法所打的大孔质量差的技术问题，解决了激光打孔中出现的再铸层和微裂纹以及热影响区域大的技术问题。

本发明解决上述目的所采用的技术方案如下。

一种激光打孔方法，其特征在于：激光打孔的步骤为：

1.对工件上需要打孔的位置进行定位，调整好激光聚焦镜的位置；

2.根据工件上需要打孔的孔径及深度与能量的关系式，调整激光器的各个输出参数，输出能量为E₁的的激光脉冲，

$D=2[\frac{3E}{\mathrm{\π}(L_B+2L_M)}{]}^{1/3},H=2{\left[\frac{3E}{\mathrm{\πt}{g}^2\mathrm{\θ}(L_B+{2L}_M)}\right]}^{1/3},$

式中E为激光能量(J)，L_B为加工工件材料的汽化比能(J/cm³)，L_M为加工材料的熔化热比能(J/cm²)，θ为激光进入材料时的发散半角(rad)，H为激光打孔的深度，即所加工材料的厚度，D为激光所打孔的孔径，输出的是高峰值功率的调制激光脉冲，功率范围为10⁶W/CM³～10⁹W/CM²；

3.根据工件材料性质采用合适的辅助气体，并在辅助气体保护下输出调制激光脉冲，将工件穿透，得到小孔D₁；

4.重新调整激光器的各个输出参数，要发射的为自由运转激光脉冲，能量范围为5E₁～10E₁；

5.工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，输出自由运转激光脉冲，在步骤[3]中得到的所述小孔D₁的基础上继续进行打孔，得到孔径尺寸范围为的孔D₂；

6.再次调整激光器的各个输出参数，输出能量为E₁的调制激光脉冲；

7.工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，输出了调制激光脉冲，调整激光聚焦镜的位置，对孔D₂旋切，修复孔壁的再铸层和微裂纹，并获得所要求的孔径D₃。

本发明小孔D₁的孔径尺寸范围为50～300μm。一种激光打孔装置，包括相互联接的激光器1及其光学导光部件2、CCD摄像机3、光电探测器5、计算机6、数字示波器7和激光聚焦镜部件4，激光聚焦镜部件的正上方是CCD摄像机3，激光聚焦镜部件和光学导光部件相连接，光电探测器5在激光聚焦镜部件上部外的一侧，其特征还包括：所述激光聚焦镜部件4从上到下主要是X轴45度全反镜12和Y轴45度全反镜13、上导轨架14、X轴移动架25、中间导轨架16、Y轴移动架22、聚焦镜头24；上导轨架14、X轴移动架25、中间导轨架16、Y轴移动架22均是中空结构，X轴45度全反镜下部的固定座穿过上导轨架14固定在X轴移动架25上，Y轴45度全反镜13下部的Y轴激光导光管穿过上导轨架14、X轴移动架25、中间导轨架16，和Y轴移动架22固定，Y轴激光导光管正下方固定聚焦镜头24；上导轨架固定在所述的激光聚焦镜部件的机架上，X轴移动架与中间导轨架固定在一起；X轴移动架25与上导轨架14联接，两者之间通过计算机6控制的驱动机构沿X轴向作相对滑动，Y轴移动架22与中间导轨架16联接，两者之间通过计算机控制的驱动机构沿Y轴向作相对滑动，X轴轴向和Y轴轴向相互垂直；X轴45度全反镜的镜头和Y轴45度全反镜的镜头正对，激光束经X轴45度全反镜和Y轴45度全反镜后，由平行于工作台的方向变为垂直于工作台的方向

穿过两者之间的激光束平行于Y轴轴向。

本发明X轴导轨31安装在上导轨架14的底部两侧，Y轴导轨17安装在中间导轨架16底部两侧；Y轴移动架22通过其上面的Y轴滑块21和Y轴导轨17接触，X轴移动架31通过其上面的X轴滑块30和X轴导轨31接触。

本发明的X轴驱动机构包括在上导轨架14的侧边上固定的X轴电机、X轴电机同步轮20，X轴丝杠同步轮15，本发明的Y轴驱动机构包括在Y轴移动架22的侧边上固定的Y轴电机、Y轴电机同步轮28，Y轴丝杠同步轮19；X轴丝杠同步轮15与X轴电机同步轮20经同步带连接；Y轴丝杠同步轮19与Y轴电机同步轮28通过同步带连接。

本发明设一X轴丝杠26，一端固定于X轴丝杠同步轮15的轴心里，另一端旋入X轴丝杠螺母32里，X轴丝杠螺母固定在X轴移动架25的一侧；设一Y轴丝杠23，一端固定于Y轴丝杠同步轮19的轴心里，另一端旋入Y轴丝杠螺母33里，Y轴丝杠螺母固定在Y轴移动架22的一侧。

本发明在聚焦镜头24周围有相对位置不变的辅助气体喷嘴11。

本发明X轴移动架25、Y轴移动架22的相对移动距离范围均为0～40mm。

若只有X轴电机工作或只有Y轴电机工作可以实现一维切割，两个电机同时工作可以实现二维运动。保持X轴方向丝杠和Y轴方向丝杠不动，既保持聚焦镜不动，静止打孔；两轴电机同时工作，带动聚焦镜作二维运动，运动路径就是所需要修复的孔径。

聚焦镜部件实现了复制打孔和旋切打孔的结合。

本发明的有益效果为：聚焦镜旋转切割法相比回转法，实现了小能量的激光脉冲切割；提高了激光打孔的精度，而且能提高激光打孔的效率，并能获得较大的孔径；而且对小尺寸的熔融点材料的移出更方便；减小了激光热作用影响区域，减小了再铸层的厚度，圆整度高，孔壁平直并且表面干净。

附图说明

图1是本发明方法的示意图；

图2是本发明装置整体结构框架示意图；

图3是激光聚焦镜旋切法打孔示意图；

图4是激光回转法打孔示意图；

图5是本发明激光聚焦镜部件结构图；

图6是本发明激光聚焦镜部件结构分解图；

图7是本发明激光聚焦镜部件A-A剖视图。

1、激光器  2、光学导光系统  3、CCD摄像机  4、聚焦镜部件  5、光电探测器  6、计算机  7、数字示波器  8、工件  9、工作台  10、透镜1  11、Y轴45度全反镜镜架  12、X轴45度全反镜  13、Y轴45度全反镜  14、上导轨架15、X轴丝杠同步轮  16、中间导轨架  17、Y轴导轨  18、Y轴轴承  19、Y轴丝杠同步轮  20、X轴电机同步轮  21、Y轴滑块  22、Y轴移动架  23、Y轴丝杠  24、聚焦镜头  25、X轴移动架  26、X轴丝杠  27、Y轴激光导光管  28、Y轴电机同步轮  29、X轴轴承  30、X轴滑块  31、X轴导轨  32、X轴丝杠螺母  33、Y轴丝杠螺母  34、透镜2  35、保护镜片

具体实施方式

下面结合附图和实施方法、实施例，对本发明作进一步详细说明。

在图1所示的实施方法中，采用本方法适合打的孔径D₃大小为0.5mm～2mm，第一步完成的小孔(孔径D₁)，第二步完成的孔(孔径D₂)，最终得到加工要求的孔(孔径D₃)，具体步骤为：

首先，根据工件对需要打孔的位置采用CCD定位，调整好聚焦镜的位置。根据工件需要打孔的孔径以及深度与能量的关系式(I)，调整激光器的各个输入参数，控制输出功率，输出能量为E₁(利用近阈值附近的小能量激光脉冲光束质量高的特点，输出小能量激光脉冲只要将孔打穿即可)的激光脉冲。根据不同的材料采用压缩气体、氮气、氩气或者氧气作为辅助气体，在气体保护下输出高峰值功率(10⁶W/CM²～10⁹W/CM²)的调制激光脉冲1～3个激光脉冲将工件穿透，得到孔径50～300μm的小孔D₁。

然后重新调整激光器的频率、脉宽、输入功率，使输出激光能量为5E₁～10E₁的自由运转激光脉冲，聚焦镜头以及工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，进行打孔，得到孔径为D₂(大小为

的孔。

因为第一步中所打小孔的存在可以更好的防止激光打孔过程中激光与金属蒸汽作用产生等离子体屏蔽，减小了能量的损失，而且减小了孔壁的金属沉积以及微裂纹，但所打孔的质量仍较差，孔的形状也不规则。

最后，输出能量为E₁的调制激光脉冲，利用伺服电机控制聚焦镜部件的X轴45度全反射镜12和Y轴45度全反射镜13作二维运动，聚焦镜头实现旋转，设置两个电机旋转的速度大小，改变聚焦镜头旋转范围，实现聚焦镜头运动旋转部件对D₂孔的旋切，修复孔壁的再铸层和微裂纹，并获得所要求的孔径D₃。

实施方法一：

若在0.7mm厚镀锌钢板上打孔径为1mm的小孔，首先，根据工件需要打孔位置采用CCD定位，调整好聚焦镜头的位置。调整激光器的各个输入参数，控制输出功率，输出能量为0.3J的激光脉冲。在氧气保护下输出高峰值功率1.0×10⁹W/cm²的调制激光脉冲1个脉冲就将工件穿透，得到孔径为80μm的小孔D₁。然后重新调整激光器的频率、脉宽、输入功率，使输出激光能量为2J的自由运转激光脉冲，聚焦镜头及工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，进行打孔，得到孔径为0.7mm的孔D₂。最后，输出能量0.3J的调制激光脉冲，利用利用电机控制聚焦镜旋转运动系统的X、Y轴45度全反镜1和2作二维运动带动聚焦镜头旋转，X、Y轴45度全反镜1和2都为Nd:YAG全反镜，通过设置电机的旋转的速度大小，改变聚焦镜头旋转范围，实现聚焦镜头运动旋转部件对D₂孔的旋切，修复孔壁的再铸层和微裂纹，并获得所要求的孔径1mm的孔。

实施例二：

若在1.5mm厚的低碳钢上打孔径为2mm的小孔，首先，根据工件需要打孔位置采用CCD定位，调整好聚焦镜头的位置。调整激光器的各个输入参数，控制输出功率，输出能量为2J的激光脉冲。在氩气保护下输出高峰值功率3×10⁹W/cm²的调制激光脉冲1个脉冲就将工件穿透，得到孔径为100μm的小孔D1。然后重新调整激光器的频率、脉宽、输入功率，使输出激光能量为16J的自由运转激光脉冲，聚焦镜头及工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，进行打孔，得到孔径为1.4mm的孔D₂。最后，输出能量1J的调制激光脉冲，利用伺服电机控制聚焦镜头旋转运动系统的X、Y轴45度全反镜1、2作二维运动带动聚焦镜头旋转，通过设置电机的旋转的速度大小，改变聚焦镜头旋转范围，实现聚焦镜头运动旋转部件对D₂孔的旋切，修复孔壁的再铸层和微裂纹，并获得所要求的孔径2mm的孔。

在图2所示的实施例中，整个所述装置包括相互联接的激光器1及其光学导光部件2、CCD摄像机3、光电探测器5、计算机6、数字示波器7和激光聚焦镜部件4。激光聚焦镜部件4的正上方是CCD摄像机3，激光聚焦镜部件和光学导光部件相连接，光电探测器5在激光聚焦镜部件上部外的一侧。

在图3所示的激光聚焦镜旋切法中，d为旋切的起始端，e为旋切的末端，f为旋切的路径。打孔方法的第三步采用了这种旋切方法，利用了这种方法对前两步中所打的孔进行修复。

在图4所示的激光回转法打孔中，即工件绕以偏离激光聚焦斑点中心距离D/2的轴回转。工件在二维运动工作台上，聚焦头不动，工件随平台旋转激光在工件上打出一个孔径为D的孔。但采用回转法切孔时需要的激光能量较大，所切孔的质量较差。其中10为透镜1。

在图5所示实施例中，聚焦镜部件4从上到下主要是X轴45度全反镜12和位于X轴45度全反镜左侧的Y轴45度全反镜13、上导轨架14、X轴移动架25、中间导轨架16、Y轴移动架22、聚焦镜头24。

参见图6所示的激光聚焦镜部件结构分解图和图7所示的A-A剖视图。

上导轨架14、X轴移动架25、中间导轨架16、Y轴移动架22均是中空结构，X轴45度全反镜下部的固定座穿过上导轨架14，固定在X轴移动架25上，Y轴45度全反镜13下部的Y轴激光导光管穿过上导轨架14、X轴移动架25、中间导轨架16，和Y轴移动架22固定，Y轴激光导光管正下方固定聚焦镜头24。上导轨架固定在所述的激光聚焦镜部件的机架上，X轴移动架与中间导轨架固定在一起。

X轴45度全反镜12通过螺钉固定在X轴移动架25上方，随X轴移动架25一起运动。Y轴45度全反镜13通过螺钉与中空的圆柱形导光管27连接，激光导光管与Y轴移动架22连接为一体，随Y轴移动架一起运动。X轴45度全反镜的镜头和Y轴45度全反镜的镜头正对，且Y轴45度全反镜位于X轴45全反镜的左侧，激光束从平行于工作台的方向最终变为垂直于工作台的方向射出，穿过两者之间的激光束平行于Y轴轴向。

X轴移动架25与上导轨架14联接，两者之间可沿X轴向相对滑动，Y轴移动架22与中间导轨架16联接，两者之间可沿Y轴向相对滑动，X轴轴向和Y轴轴向相互垂直。上导轨架和X轴移动架之间通过四块均布的X轴滑块30接触，中间导轨架和Y轴移动架之间通过四块均布的Y轴滑块21接触。

X轴导轨31安装在上导轨架的底部两侧；X轴电机同步轮20和X轴丝杠同步轮15分别固定在上导轨架下部的左右两侧，X轴电机也固定在上导轨架的下部，X轴丝杠26一端固定于X轴丝杠同步轮15的轴心里，X轴电机同步轮与X轴丝杠同步轮通过同步带连接。

X轴移动架为空腔结构，在腔体的外部前后两侧X轴移动架的下部与中间导轨架16连接在一起，X轴丝杠26的另一端旋入X轴丝杠螺母32里。滑块30固定在X轴移动架上方，且处于导轨31的正下方。X轴丝杠螺母32与X轴移动架的左侧固定在一起，将X轴丝杠26的旋转运动变为自身的X轴方向的运动，带动X轴移动架运动，从而带动X轴滑块30在导轨上运动。

Y轴电机固定在中间导轨架16的外部，Y轴丝杠23的一端固定于Y轴丝杠同步轮19的轴心里，Y轴丝杠23的另一端旋入Y轴丝杠螺母33里。在Y轴移动架下部底板内设有螺纹，来连接聚焦镜头24。

Y轴丝杠螺母33与Y轴移动架的后侧固定在一起，将Y轴丝杠23的旋转运动转化为自身的Y轴方向的直线运动，带动Y轴移动架运动。

X轴电机同步轮20和Y轴电机同步轮28分别与X轴、Y轴电机相连，X、Y电机采用高速大扭矩精密电机。在Y轴电机驱动下，Y轴丝杠23带动Y轴移动架22运动，滑块21在导轨17上运动，从而带动Y轴45度全反镜13和聚焦镜24同步运动，实现Y轴方向的一维运动。

X、Y轴45度全反镜都为Nd:YAG全反镜，激光直线传播到X轴45度全反镜，然后反射到Y轴45度全反镜，再经过Y轴45度全反镜反射后通过导光管27传输到聚焦镜24输出激光进行加工。X轴45度全反镜12和Y轴45度全反镜13的镜头始终正对。

当只有X轴电机同步轮运转时，除上导轨架以及与上导轨架固定在一起的X轴电机同步轮和X轴丝杠同步轮保持不动，其它部分随X轴移动架一起运动，即Y轴运动部分与X轴运动部分同步运动，X轴45度全反镜12和Y轴45度全反镜13同方向运动，保证光始终通过两个镜子的中心，同时确保在运动的过程中光始终从聚焦镜的中心出射，从而实现X轴方向的一维运动。

当Y轴电机和X轴电机同时运行时，在X轴丝杠和Y轴丝杠的带动下，X轴移动架和Y轴移动架同时运动，X轴45度全反镜12和Y轴45度全反镜13同时运动，Y轴45度全反镜在保证和X轴45度全反镜同方向运动的同时，在Y轴丝杠螺母的带动下向Y轴方向运动，实现聚焦镜的二维运动，保证了圆孔的切割。

Claims (8)

1.一种激光打孔方法，其特征在于：激光打孔的步骤为：

[1].对工件上需要打孔的位置进行定位，调整好激光聚焦镜的位置；

[2].根据工件上需要打孔的孔径及深度与能量的关系式，调整激光器的各个输出参数，输出能量为E₁的激光脉冲，

$D=2{\left[\frac{3E}{\mathrm{\π}(L_B+2L_M)}\right]}^{1/3},$ $H=2{\left[\frac{3E}{\mathrm{\πt}{g}^2\mathrm{\θ}(L_B+2L_M)}\right]}^{1/3},$

式中E为激光能量(J)，L_B为加工工件材料的汽化比能(J/cm²)，L_M为加工材料的熔化热比能(J/cm²)，θ为激光进入材料时的发散半角(rad)，H为激光打孔的深度，即所加工材料的厚度，D为激光所打孔的孔径；输出的是高峰值功率的调制激光脉冲，功率范围为10⁶W/CM²～10⁹W/CM²；

[3].根据工件材料性质采用合适的辅助气体，并在辅助气体保护下输出能量为E1的调制激光脉冲，将工件穿透，得到小孔D₁；

[4].重新调整激光器的各个输出参数，要发射的为自由运转激光脉冲，能量范围为5E₁～10E₁；

[5].工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，输出自由运转激光脉冲，在步骤[3]中得到的所述小孔D₁的基础上继续进行打孔，得到孔径尺寸范围为 的孔D₂；

[6].再次调整激光器的各个输出参数，输出能量为E₁的调制激光脉冲；

[7].工件的位置保持不变，在辅助气体的保护下，调整激光聚焦镜的位置，利用输出的能量为E1的调制激光脉冲，对孔D₂旋切，修复孔壁的再铸层和微裂纹，并获得所要求的孔径D₃。

2.根据权利要求1所述的一种激光打孔方法，其特征为：小孔D₁的孔径尺寸范围为50～300μm。

3.一种激光打孔装置，包括相互联接的激光器(1)及其光学导光部件(2)、定位激光打孔位置的CCD摄像机(3)、探测激光脉冲输出的光电探测器(5)、实现控制的计算机(6)、用于显示激光脉冲信号和计算机输出信号的数字示波器(7)和激光聚焦镜部件(4)，激光聚焦镜部件(4)的正上方是CCD摄像机(3)，聚焦镜部件和光学导光部件相连接，光电探测器(5)在激光聚焦镜部件上部外的一侧，其特征还包括：所述激光聚焦镜部件(4)从上到下主要是X轴45度全反镜(12)和Y轴45度全反镜(13)、上导轨架(14)、X轴移动架(25)、中间导轨架(16)、Y轴移动架(22)、聚焦镜头(24)；上导轨架(14)、X轴移动架(25)、中间导轨架(16)、Y轴移动架(22)均是中空结构，X轴45度全反镜下部的固定座穿过固定在工作平台上的上导轨架(14)固定在X轴移动架(25)上，Y轴45度全反镜(13)下部的Y轴激光导光管穿过上导轨架(14)、X轴移动架(25)、中间导轨架(16)，和Y轴移动架(22)固定，Y轴激光导光管正下方固定聚焦镜头(24)；上导轨架固定在所述的激光聚焦镜部件的机架上，X轴移动架与中间导轨架固定在一起；X轴移动架(25)与上导轨架(14)联接，两者之间通过计算机(6)控制的X轴驱动机构沿X轴向作相对滑动，Y轴移动架(22)与中间导轨架(16)联接，两者之间通过计算机(6)控制的Y轴驱动机构沿Y轴向作相对滑动，X轴轴向和Y轴轴向相互垂直；X轴45度全反镜的镜头和Y轴45度全反镜的镜头正对，激光束经X轴45度全反镜和Y轴45度全反镜后，由平行于工作台的方向变为垂直于工作台的方向，穿过两者之间的激光束平行于Y轴轴向。

4.根据权利要求3所述的一种激光打孔装置，其特征为：上导轨架(14)固定在工作平台上，X轴导轨(31)安装在上导轨架(14)的底部两侧，Y轴导轨(17)安装在中间导轨架(16)的底部两侧；Y轴移动架(22)通过其上面的Y轴滑块(21)和Y轴导轨(17)接触，X轴移动架(31)通过其上面的X轴滑块(30)和X轴导轨(31)接触。

5.根据权利要求3所述的一种激光打孔装置，其特征为：所述的X轴驱动结构包括在上导轨架(14)的侧边上固定的X轴电机、X轴电机同步轮(20)，X轴丝杠同步轮(15)；所述的Y轴驱动结构包括在Y轴移动架(22)的侧边上固定的Y轴电机、Y轴电机同步轮(28)，Y轴丝杠同步轮(19)；X轴丝杠同步轮(15)与X轴电机同步轮(20)经同步带连接；Y轴丝杠同步轮(19)与Y轴电机同步轮(28)通过同步带连接。

6.根据权利要求3或5所述的一种激光打孔装置，其特征为：设一X轴丝杠(26)，一端固定于X轴丝杠同步轮(15)的轴心里，另一端旋入X轴丝杠螺母(32)里，X轴丝杠螺母固定在X轴移动架(25)的一侧；设一Y轴丝杠(23)，一端固定于Y轴丝杠同步轮(19)的轴心里，另一端旋入Y轴丝杠螺母(33)里，Y轴丝杠螺母固定在Y轴移动架(22)的一侧。

7.根据权利要求3所述的一种激光打孔装置，其特征为：在聚焦镜头(24)的周围有相对位置不变的辅助气体的喷嘴(11)。

8.根据权利要求6所述的一种激光打孔装置，其特征为：X轴移动架(25)、Y轴移动架(22)的相对移动距离范围均为0～40mm。

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