[发明专利]一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法

说明书

本发明涉及一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法，涉及特种加工中的激光加工领域；包括工件加工系统和控制系统：所述工件加工系统包括激光器、水槽、夹具和工件；所述激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上；所述工件水平放置并固定在夹具上；所述夹具设置在水槽底部；所述水槽内液体液面浸没工件下表面；所述控制系统包括计算机与运动控制卡，所述计算机控制激光器和运动控制卡，所述运动控制卡控制x‑y‑z三坐标工作台。与仅采用激光器进行加工相比，可显著降低小孔锥度，减少热损伤，提高小孔加工质量，并提高激光能量利用率。本发明装置简单，操作方便，属于特种加工中的激光加工领域。

技术领域

本发明涉及特种加工中的激光加工领域，尤其涉及一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是一种以激光束为热源，采用热去除方法对材料进行分离的技术。与其他打孔技术相比，具有诸多优势，被广泛应用于加工金属材料、陶瓷材料以及高分子材料等领域，很好地满足了汽车工业、半导体工业、制表业以及医疗装置制造业等行业对某些关键零部件精密加工的要求。

在使用激光打孔技术加工上述关键零部件的通孔时，锥度是衡量孔的重要质量指标，锥度越大说明所加工的孔的质量越差。但是，采用传统的激光加工方法所加工的孔不可避免地存在较大的锥度。

国内外的研究人员对减小激光加工通孔锥度的方法进行了一定的研究，如将工件翻转180゜进行两次打孔的方法。首先，在空气中用激光在工件上加工通孔，然后通过可旋转夹具将形成通孔的工件旋转180゜，并使工件刚好浸在水中但不改变小孔的的x、y坐标,再利用激光诱导空化技术进行第二次打孔，从而去除多余部分的材料而改善孔锥度。在打孔过程中，必须保证工件的翻转精度，因此对装置所采用的气动夹具、移动平台及驱动电机的运动精度有极高的要求。还有一种方法是通过反射调节机构带着所述反射装置运动，使得被反射的激光束辐照在所述通孔的孔周和内壁上不同位置，以将所述通孔内的锥度逐步消除。在打孔过程中必须极精确的控制反射调节机构，且所述反射装置的镜面要求极高，需要均匀布满微结构，所述装置复杂且操作困难，而且一次只能加工一个小孔，效率较低。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种改善小孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法，以水作为介质，利用毛细现象及光的反射折射原理，可以明显的减小微孔锥度并提高小孔加工质量，装置简单，操作方便，成本较低，效率较高，同时为了进一步的提高加工的精度，通过增加超声波发生器产生的高频震动及孔内受热蒸发的液体可进一步的及时带出孔内产生的熔渣，从而起到改善孔壁质量的目的。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置，包括工件加工系统和控制系统：所述工件加工系统包括激光器、水槽、夹具和工件；所述激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上；所述工件水平放置并固定在夹具上；所述夹具设置在水槽底部；所述水槽内液体液面浸没工件下表面；所述控制系统包括计算机与运动控制卡，所述计算机控制激光器和运动控制卡，所述运动控制卡控制x-y-z三坐标工作台。

进一步的，所述控制系统还包括超声发生器，超声发生器置于水槽内。

进一步的，所述超声发生器控制超声波震板；所述超声波震板位于工件下侧。

进一步的，所述超声波震板的上表面与工件的下表面之间间距不小于10mm。

进一步的，所述液体液面与工件下表面相切。

进一步的，所述工件厚度为0.2mm～3mm。

进一步的，所述激光器为皮秒激光器；皮秒激光器的脉冲频率0.2MHz～5MHz，激光波长1064nm，加工功率5W～20W。

一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔方法，包括以下步骤：