[发明专利]一种非贯通孔的激光加工方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲激光加工方法，特别地，涉及一种非贯通孔的激光加工方法。

背景技术

材料打孔技术在工业制造领域有着广泛的应用。对于所加工孔，按照其是否穿透被打孔工件，可分为贯通孔(又称通孔)和非贯通孔(又称盲孔)两类。对于要求加工一定深度的盲孔，传统的机械钻孔方式可以方便地设定钻孔深度，从而得到固定孔深的盲孔，但通常只能实现孔径小至约100微米，孔深/孔径比小于10∶1的材料钻孔。

当要求孔径小于100微米或孔深/孔径比大于10∶1时，通常采用电子束和激光打孔方式进行打孔。但采用激光打孔方式时，难以较精确地设定打孔深度。通常的做法是：在正式加工之前进行工艺实验，建立粗略的打孔脉冲数或打孔时间与孔深度的对应关系；然后使用所要求加工深度对应的打孔脉冲数或打孔时间进行打孔；由于激光打孔的可重复性较差，打孔结束后，需对孔的深度进行检查。

对于孔径较大的孔，通常采用直径小于孔径的探针伸入孔内部来测量盲孔深度；对于孔径较小的孔，例如孔径小于100微米的孔，通常只能沿孔直径方向切开工件，对孔的剖面进行测量得到孔深，由于此方法属于破坏性测量，只能对盲孔深度进行抽查。无论上述哪一种方法，都需要在激光打孔完成后再次检测孔深，降低了打孔的生产效率；且经过后期孔深检查，会剔除一部分不符合打孔深度要求的孔，增加了废品率。

为了克服以上激光打孔缺点，需要在激光打孔过程中实时监测打孔状态，从而提高打孔精度和减少废品率。然而以往的技术方法多只能对通孔的形成情况进行监测，如专利200680031610.1介绍了一种提高激光微加工系统的加工品质的方法与系统。其在加工过程中记录与加工参数相关的资料，对激光微加工时所形成的个别通孔的能量进行监视与控制。

本发明提出了一种在激光打孔过程中实时监测孔深的闭环控制打孔方法，大幅度提高非贯通孔激光打孔精度和减少废品率。

发明内容

为了提高激光非贯通孔加工的精度和效率及减少废品率，本发明提供一种非贯通孔的激光加工方法和装置。

本发明所述一种非贯通孔的激光加工方法为：脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔光学系统聚焦于工件的待打孔位置实施打孔。脉冲激光器发出打孔激光脉冲时，触发同步延时模块，其经过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统对打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机对冲击波照片进行分析处理，参照控制计算机中存储的加工参考数据得到加工孔的实时深度，并判断孔深是否达到要求，进而控制脉冲激光器继续或终止打孔。

同步延时模块延时触发冲击波照相系统对打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，其触发延迟时间的选择要使得冲击波照相系统在拍照时，冲击波已经形成，且尚未消散。冲击波照相系统可采用高速阴影照相法或马赫-曾德尔光学干涉仪照相法对打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照。冲击波照相系统中的辅助曝光光源可以采用独立的辅助曝光激光器或从所述打孔脉冲激光器发出的脉冲激光中分光得到。

其实施步骤为：第一步，针对待打孔工件，建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库，并将其存储于控制计算机中；第二步，在脉冲激光打孔过程中，实时拍摄打孔激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波照片，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机，控制计算机采用专门的图像识别算法，识别出激光冲击波波前轮廓，得到以孔入口为中心的激光冲击波波前扩张半径，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工孔的实时深度，并判断孔深是否达到要求，进而控制脉冲激光器继续或终止打孔。

在建立激光冲击波波前扩张半径与孔深度关系的参考数据库时，不同深度孔所对应的激光冲击波波前扩张半径应取多次实验的平均值。

本发明所述一种非贯通孔的激光加工装置包括：脉冲激光器，打孔光学系统，同步延时模块，冲击波照相系统，图像采集模块，控制计算机；脉冲激光器发出的脉冲激光束经由打孔光学系统聚焦于工件的待打孔位置实施打孔；脉冲激光器发出激光脉冲时，触发同步延时模块，其经过一定时间延迟后，触发冲击波照相系统；冲击波照相系统对激光脉冲与工件相互作用产生的冲击波进行拍照，照片数据经由图像采集模块输入控制计算机；控制计算机对冲击波照片进行分析处理，并参照控制计算机中存储的加工参考数据，得到加工孔的实时深度；控制计算机判断孔深是否达到要求，并控制激光器继续或终止打孔。