[發明專利]一種利用激光光束打孔的裝置和方法

有效

• 申請號: 201610601134.8
• 申請日: 2016-07-27
• 公開（公告）號: CN106001944B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 施達創;陳云;麥錫全;蘇振欣;陳新
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/064;B23K26/08
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 李海建

技術領域

本發明涉及激光加工技術領域，特別是涉及一種利用激光光束打孔的裝置和方法。

背景技術

激光打孔技術是一種以激光束為熱源，采用熱去除方法對材料進行分離的技術。在激光打孔的過程中，高功率的脈沖激光聚焦在工件表面，材料被迅速加熱到熔化及汽化的溫度，隨后在材料氣體急劇膨脹的反沖壓力和高壓輔助氣體壓力的共同作用下，工件上熔融狀態的液體被擠出孔外，并在后續脈沖激光作用下持續上述過程，材料不斷去除，直至形成通孔。

在使用激光打孔技術加工通孔時，錐度是衡量孔質量的重要指標，錐度越大說明孔的質量越差，目前的激光加工方法所加工的孔產生較大錐度的原因主要有以下三種：

(1)加工開始時，激光束的焦點在工件表面上，隨著加工平面的向下延伸，加工表面的熱量會逐漸降低，而且，高壓輔助氣體在深孔中壓力損耗過大，孔底的熔融材料會難以排出，因此，底部孔徑逐漸變小，最終形成錐孔；

(2)激光脈沖的光強在空間上為高斯分布，激光束中間能量高而邊緣能量低，因此，通孔軸心線上的材料容易去除，而軸心線四周的材料較難去除，最終形成錐孔；

(3)被加工的材料在激光的輻照下氣化，生成蒸汽，高溫蒸汽中的熱電子致使其他中性粒子發生電離，形成光致等離子體，而等離子體對激光有吸收作用。隨著激光打孔過程的持續進行，等離子體不斷增加，對激光功率的削減作用越來越大，使得孔底材料獲得的能量減小，所形成的孔徑隨著孔深度的增加而變小，最終形成錐孔。

針對上述情況，中國發明專利CN201310172352提出了一種在打孔的激光束中加入納米級粒子流的方法，通過納米級粒子流對所加工的微孔進行拋光，以改善所成孔的錐度。但是，精確地控制納米級粒子流進入到微孔中在實際操作時存在較大的難度，尤其是當孔徑僅為微米級時，由于表面張力太大，流體甚至很難進入到微孔之中。

另一中國發明專利CN201410050557提出一種利用電磁場提高激光束性能的方法來改善激光打孔錐度的方法，但所使用的裝置較為復雜，且必須是高能量的磁場才足以消除錐度。

再一中國發明專利CN201310476632提出一種通過在工件的上側和下側分別施加高能脈沖激光進行打孔的方法。但是，由于必須通過兩個高精度運動平臺來使兩個激光頭和所需打孔位置三者精確地保持在同一直線上，所以對上、下兩個激光器的同軸度、運動平臺的精度等存在極高的要求。

綜上所述，現有的方法雖然在一定程度上改善了孔的錐度，但存在裝置復雜、操作困難等缺點，因此，如何通過更加簡單、便捷的裝置和方法來進行激光打孔，并對孔的錐度加以改善成為了本領域技術人員亟待解決的技術問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種利用激光光束打孔的裝置和方法，該裝置和方法能夠更加簡單、便捷地實現激光打孔，且有利于制作出錐度較小的孔。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種利用激光光束打孔的裝置，包括：

具有內腔的容器，所述容器的下端開設有出光孔；

位于所述容器內、與所述容器可轉動連接的激光輸出整形器，所述激光輸出整形器包括激光器陣列和凸透鏡陣列，所述激光器陣列包括沿直線排列、并以所述激光輸出整形器的旋轉軸線為對稱中心的偶數個激光器，所述激光器用于豎直向下發射相互平行的光束，所述凸透鏡陣列包括與所述激光器一一對應設置的凸透鏡，各個所述凸透鏡的焦距相同，且各個所述凸透鏡沿豎直方向位置可調，所述激光輸出整形器還包括控制器，所述控制器用于分別調整各個所述激光器的光束強度；

位于所述容器外的電機，所述電機的輸出軸連接有帶輪，所述帶輪上的傳動帶與所述激光輸出整形器套接，用于驅動所述激光輸出整形器轉動。

優選地，在上述裝置中，所述激光輸出整形器的兩端通過軸承與所述容器連接，所述激光輸出整形器的中部具有用于套接所述傳動帶的環形輪體。

優選地，在上述裝置中，所述容器的兩端對應所述軸承處安裝有端蓋，且位于下端的所述端蓋具有與所述出光孔對應的開口。

優選地，在上述裝置中，所述激光輸出整形器還包括用于沿豎直方向調整所述凸透鏡的微校尺。

一種利用激光光束打孔的方法，所述方法由上述裝置實現，具體包括：

所述控制器調整各個所述激光器的光束強度為同一強度；

調整各個所述凸透鏡的高度，使由所述凸透鏡陣列的一端至另一端的方向上，所述凸透鏡的高度以同一梯度逐漸上升或以同一梯度逐漸下降；

所述電機通過所述傳動帶驅動所述激光輸出整形器轉動。