[發明專利]一種變焦距激光精密加工深槽深孔的方法及裝置

有效

• 申請號: 201410142394.4
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103878495A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 曹宇;余婷婷;蔡豐勇;魏鑫磊;李峰平;余德格;馮愛新
• 申請（專利權）人: 溫州大學;溫州百岸汽車零部件有限公司
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/364;B23K26/046;B23K26/08
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技術領域

本發明屬于激光加工領域，具體涉及一種變焦距激光精密加工深槽深孔的方法及裝置。

背景技術

激光刻蝕加工在激光加工中屬于激光去除類，也可以稱之為蒸發加工，是基于激光與被加工材料相互作用引起物態變化形成的熱物理效應，實現刻槽或打孔的加工效果。影響加工質量的主要因素取決于激光的波長、激光功率密度、光束質量、聚焦狀態和被加工材料本身的物理特性等參數。

激光刻槽或打孔原理是利用脈沖激光10⁶～10⁹W/cm²的高功率密度及優良的空間相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸發，并輔助以高速氣流進行各種材料的去除來實現深槽或深孔的加工。加工過程的熱物理-化學機理已有著作和文獻闡述，可以簡要描述如下：激光束初始經過聚焦透鏡后照射在處于焦平面的工件上，使被加工材料表面的溫度迅速上升。當溫度上升到接近于材料的蒸發溫度時，激光對材料的去除加工開始進行。此時固態金屬發生強烈的相變，最先金屬開始熔化。隨著溫度不斷上升，一部分熔融金屬及固態金屬開始產生蒸發效應，氣化后的金屬蒸汽攜帶著液相物質以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來，從而將底部新的表面暴露在激光束照射之下，從而持續產生熔化、蒸發與噴濺。在激光加工頭輔助吹氣氣流作用下，隨著溫度不斷上升，金屬蒸汽攜帶著液相物質以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來并被氣流帶走，露出新的底部表面以接受激光照射。通過這種不斷的照射、熔化-蒸發、噴濺、照射，直至達到要求的激光刻蝕深度或穿透整個工件材料。與此同時，激光束按照設定的速度和路徑移動，以獲得要求的激光刻蝕加工溝槽。

顯然，在激光刻槽或打孔過程中，隨著激光照射、熔化-蒸發、噴濺的不斷進行，新生成的被照射表面越來越矮，亦即距離激光束的初始焦平面越來越遠，從而產生越來越大的離焦量，這種離焦量的產生會導致激光光斑變大、能量分散，進一步使得加工的溝槽變寬、加工效率降低。

激光精密打孔技術一般都要求孔徑小、入口和出口的孔徑偏差小、孔圓度好，但是采用傳統的激光打孔技術很難達到，由于激光焦距固定，激光束的發射特性使得加工深孔的出入孔徑偏差很大、孔圓度不好，一旦孔深度大大超出激光束的聚焦焦深，會由于激光能量密度不夠而無法加工，深孔的深徑比難以提高。

并且，由上述激光刻槽或打孔的熱物理-化學機理可知，激光加工過程中同時發生熔化和蒸發兩種效應，激光作用區域溫度較低時主要是熔化，溫度足夠高時才發生蒸發，溫度越高，蒸發越劇烈。在激光加工過程中，材料受到熔化或蒸發的質量比例是由溫度決定，亦即由所照射的激光功率密度決定。對于加工質量而言，隨著刻槽深度或孔深度的提高，亦即激光束離焦量的增大，光斑尺寸同步增大，使得加工區域受到的激光功率密度下降，上述激光加工過程中的蒸發效應下降，熔化比例增加，噴濺力度不夠，從而會導致在深槽或深孔的邊緣或出口處會存在更多粘附熔渣，亦即所謂“毛刺”現象，無法消除。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種變焦距激光精密加工深槽深孔的方法，該變焦距激光精密加工深槽深孔的方法在加工時焦距動態調整，能量更集中、材料蒸發更充分、從而使得刻槽更精細、效率更高、深孔圓度和深徑比提高、大大減少了毛刺現象，并且加工裝置光路結構簡單，易拆裝，慣性小、運動精度高，散熱效果好，較傳統方法更加適合長時間、高效率、高精度的深槽或深孔激光精密加工應用需求。本發明還同時提供了一種變焦距激光精密加工深槽深孔的裝置。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種變焦距激光精密加工深槽深孔的方法，包括如下步驟：

(1)將多個焦距不同的聚焦透鏡安裝在同一個聚焦透鏡座上，其安裝方位是：多個聚焦透鏡在與聚焦透鏡座中心軸線距離為R的圓周方向上均勻排布，多個聚焦透鏡按焦距長短排序，以順時針方向按照焦距從長到短或從短到長的次序依次安裝，所有聚焦透鏡的中心軸線均與聚焦透鏡座的中心軸線平行；其中，R小于聚焦透鏡座的半徑；

(2)將工件安裝在工作臺上，所述工件可由工作臺帶動做X-Y兩個方向的平移運動，激光束由聚焦透鏡座上的某個聚焦透鏡中心軸線入射，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面；其中，XYZ構成直角坐標系；

(3)進行單次激光加工操作，若激光加工類型為深槽加工，則執行步驟(4)，若激光加工類型為深孔加工，則執行步驟(5)；