[發明專利]一種激光打孔方法和裝置

無效

• 申請號: 200910300531.1
• 申請日: 2009-02-24
• 公開（公告）號: CN101811227A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 王曉東
• 申請（專利權）人: 王曉東
• 主分類號: B23K26/06
• 分類號: B23K26/06;B23K26/04;B23K26/00
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種激光加工的方法和裝置，特別地，涉及一種脈沖激光打孔的方法和裝置。

背景技術

材料打孔技術在工業制造領域有著廣泛的應用。傳統的機械鉆孔方式可以方便地實現孔徑小至約100微米，孔深/孔徑比小于10∶1的材料鉆孔；當要求孔深/孔徑比大于10∶1時，通常采用電子束和激光打孔方式進行精確打孔。電子束打孔和激光打孔的原理類似，電子束和激光能量以熱的形式被材料吸收，使材料升溫高于其熔點，并借助材料氣化反沖力或輔助吹氣使熔化材料脫離基體材料，或使材料直接氣化，實現燒蝕打孔。

對于激光打孔，由于短脈沖激光打孔熱影響區小，近年來被廣泛應用于高質量的材料精細加工領域。采用脈沖激光打孔時，通常將激光光束經由一組光學元件聚焦于工件上被打孔位置處，激光開啟后，被打孔位置處及附近材料被激光輻射加熱升溫，材料升溫的速度由激光脈沖寬度、脈沖能量以及材料屬性所決定，當材料溫度超過材料熔點或沸點時，材料通過熔化和氣化去除。研究表明，材料熔化物的噴濺以及材料氣化是脈沖激光材料去除的主要途徑。

普通短脈沖激光光束包含一系列獨立的激光脈沖101，如圖1所示。其脈沖寬度通常為10飛秒至1微秒，在已投入實際應用的材料精細打孔領域，更多采用1皮秒至500納秒的脈沖寬度。同時，通常采用的脈沖重復頻率為10赫茲至10千赫茲。

在激光打孔的工業應用中，為了滿足不同類型、樣式的打孔要求，人們采用了不同打孔方法。一旦實現了所要求的打孔精度，剩下的工作就在于如何提高加工效率以降低成本。為了提高激光打孔效率，人們采用了脈沖空間整形、輔助高壓氣體噴嘴等方法提高打孔效率。

專利200680025361.5介紹了一種激光穿孔方法及加工裝置，該加工裝置在被加工物體的加工部位照射激光，從與激光同軸配置的噴嘴向加工部位噴射輔助氣體，使輔助氣體覆蓋被加工部位，進而在該加工部位加工貫通孔。該發明需要增加輔助吹氣系統，增加了系統的復雜性。

01113609.X介紹了一種激光打孔裝置及其二步打孔方法。其裝置包括一臺長脈沖的長波長激光器和一臺短脈沖的短波長激光器。其打孔過程分為兩步：(1)調節聚焦透鏡的前后位置，打開長波長激光器輸出激光脈沖，工件穿孔后關閉輸出；(2)調節聚焦透鏡的前后位置使聚焦在工件待加工面上的激光焦斑等于所要加工的孔徑，打開短波長激光器輸出激光脈沖。該發明裝置及打孔方法，提高了加工孔的質量，但由于其打孔過程中需要調節聚焦透鏡的前后位置，難以提高打孔工作效率。

本發明采用復合脈沖的新方法促進短脈沖激光打孔的效率。使用本發明所述復合脈沖打孔方法和裝置替代普通脈沖進行打孔，可以在較低能量密度，較低脈沖重復頻率的情況下得到較高的打孔效率，這對降低加工成本有著重要意義。

發明內容

為了提高激光打孔效率，本發明提供一種激光打孔的方法和裝置，采用包含至少兩個子脈沖的激光復合脈沖經由聚焦透鏡聚焦于打孔位置實施打孔。

本發明提出的激光打孔方法為：產生包含至少兩個子脈沖的激光復合脈沖，將復合脈沖經由聚焦透鏡聚焦于工件上的待打孔位置實施打孔。子脈沖寬度約為1皮秒至500納秒，復合脈沖內子脈沖間隔時間約為1納秒至50微秒，復合脈沖間隔時間約為0.1毫秒至100毫秒，遠大于復合脈沖內子脈沖間隔時間，復合脈沖內第一子脈沖強度大于被打孔材料的燒蝕域值，在第一子脈沖照射后，被打孔位置及附近材料被加熱超過材料熔點；同一復合脈沖內的后續子脈沖在被打孔位置及附近材料已熔化、并處于熔化狀態時照射被打孔位置。

復合脈沖中后續子脈沖產生的氣化反壓力迫使和/或加速被打孔位置處的熔化材料脫離材料基體，和/或后續子脈沖加速熔化材料的氣化。

包含至少兩個子脈沖的復合脈沖由以下方法產生：將由一個激光器發出的脈沖激光束分束，對其中一束或幾束通過延長光路進行延時，再將延時光束與未延時光束合束；或將由延時控制器控制的至少兩個激光器發出的脈沖激光束進行合束。

復合脈沖內子脈沖在空間上彼此重合，在時間上彼此分離。

所述激光打孔方法最適合加工的孔深范圍為0.4毫米至3.0毫米。

本發明提出的激光打孔裝置包括：一臺產生脈寬約為1皮秒至500納秒的脈沖激光器，脈沖間隔時間約為0.1毫秒至100毫秒；一個準直望遠鏡，將所述脈沖激光器產生的光束擴束準直；至少一個分光模塊，其從所述脈沖激光器產生的光束中分裂出若干分支光束；至少一個延時光路，使所述分支光束經過不同長度的傳輸路徑；至少一個合束鏡，將所述分支光束合并，組成空間重合的復合光束；一個聚焦透鏡，將所述復合光束聚焦于工件的待打孔位置處。