一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法及装置

摘要

本发明提供了一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法，包括：(1)将金属片工件安装在加工基板上，在金属片工件与加工基板之间涂覆一层高温发泡剂；在金属片工件的上表面罩设密封抽吸罩；(2)通过抽吸管向外抽气，使密封抽吸罩内始终保持在负压状态；(3)激光器输出激光打孔脉冲；(4)保持激光束继续照射1ms～500ms，之后结束激光打孔脉冲；(5)将激光束聚焦位置移到下一个需要打孔的位置，重复步骤(3)～(4)，直至完成所有孔的加工；(6)待全部孔加工完毕后，取下工件。采用该方法进行激光打孔，可以保证孔圆度好、出口边缘无毛刺、孔入口和出口孔径偏差小。本发明还同时提供了一种发泡辅助的金属片激光精密打孔装置。

权利要求

1.一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将待加工的金属片工件安装在加工基板上，所述加工基板的硬度大于金属片工件的硬度；在所述金属片工件与加工基板之间涂覆一层厚度为0.01mm～1mm、发泡温度在150摄氏度以上的高温发泡剂；

在金属片工件的上表面罩设一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩固定安装在激光加工头的下方；所述密封抽吸罩的高度小于激光加工头中聚焦透镜的焦距，并且恰好使得聚焦透镜的焦距等于密封抽吸罩的高度加上密封抽吸罩到聚焦透镜的距离，即保证密封抽吸罩与工件的接触面与激光束聚焦平面重合；

(2)在密封抽吸罩上安装抽吸管，通过抽吸管向外抽气，使密封抽吸罩内始终保持在负压状态；

(3)激光器输出激光打孔脉冲，激光束经聚焦透镜聚焦后，照射在金属片工件的上表面，金属片表面材料开始产生熔化、蒸发和飞溅；当金属片工件底部的温度达到高温发泡剂的发泡温度时，发泡剂产生气泡并不断膨胀，直至冲破金属片工件，同时上冲的气泡携带熔渣和烟尘经抽吸管抽出；

(4)保持激光束继续照射1ms～500ms，用于修整孔的上部入口处和孔壁存在的挂渣，之后结束激光打孔脉冲；

(5)将激光束聚焦位置移到下一个需要打孔的位置，重复步骤(3)～(4)，直至完成所有孔的加工；

(6)待全部孔加工完毕后，取下工件，清洗去除金属片工件下表面残留的高温发泡剂。

2.根据权利要求1所述的发泡辅助的金属片激光精密打孔方法，其特征在于，步骤(1)中，所述密封抽吸罩与工件表面接触的位置设置有橡胶密封垫圈；步骤(3)中通过施加压力压紧所述橡胶密封垫圈可以实现激光光束打孔时离焦量的调节。

说明书

一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工领域，具体涉及一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法及装置。

背景技术

[0002] 发泡剂是使对象物质成孔的一种物质，它可分为化学发泡剂和物理发泡剂和表面活性剂三大类。化学发泡剂是那些经加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体，并在聚合物组成中形成细孔的化合物；物理发泡剂就是泡沫细孔，它是通过某一种物质的物理形态的变化，即通过压缩气体的膨胀、液体的挥发或固体的溶解而形成的；发泡剂均具有较高的表面活性，能有效降低液体的表面张力，并在液膜表面双电子层排列而包围空气，形成气泡，再由单个气泡组成泡沫。

[0003] 激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。

[0004] 激光打孔是利用脉冲激光106～109W／cm2的高功率密度及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸发，并辅助以高速气流进行各种材料的去除来实现孔的加工。打孔过程包括以下几个物理过程：(1)吸收与加热阶段，金属吸收光能，工件温度迅速上升，通过热传递透入内部。(2)熔化阶段，材料温度在沸点和熔点之间，当材料温度超过熔点时，开始熔化，熔液表面向材料深处延伸。(3)汽化阶段，材料温度大于沸点，一部分材料被汽化产生材料蒸汽，材料表面开始出现圆窝，溶液表面继续向材料内部延伸。(4)等离子体产生阶段，材料温度远大于沸点，此时少量材料开始被汽化，同时把材料加热到高温；在激光加工头辅助吹气气流作用下，随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而完成打孔过程。

[0005] 这种激光精密打孔技术一般都要求孔径小、入口和出口的孔径偏差小、孔圆度好，但是采用传统的激光打孔技术很难达到；并且，传统激光打孔技术采用的吹气方法，在金属孔的出口边缘处一定会存在熔渣喷溅、粘附凝固而导致的毛刺现象，无法消除。

发明内容

[0006] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法；采用该方法进行激光打孔，可以保证孔圆度好、出口边缘无毛刺、孔入口和出口孔径偏差小。本发明还同时提供了一种发泡辅助的金属片激光精密打孔装置。

[0007] 本发明是通过如下技术方案实现的：

[0008] 一种发泡辅助的金属片激光精密打孔方法，包括如下步骤：

[0009] (1)将待加工的金属片工件安装在加工基板上，所述加工基板的硬度大于金属片工件的硬度；在所述金属片工件与加工基板之间涂覆一层厚度为0.01mm～1mm、发泡温度在150摄氏度以上的高温发泡剂；

[0010] 在金属片工件的上表面罩设一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩固定安装在激光加工头的下方；所述密封抽吸罩的高度小于激光加工头中聚焦透镜的焦距，并且恰好使得聚焦透镜的焦距等于密封抽吸罩的高度加上密封抽吸罩到聚焦透镜的距离，即保证密封抽吸罩与工件的接触面与激光束聚焦平面重合；

[0011] (2)在密封抽吸罩上安装抽吸管，通过抽吸管向外抽气，使密封抽吸罩内始终保持在负压状态；

[0012] (3)激光器输出激光打孔脉冲，激光束经聚焦透镜聚焦后，照射在金属片工件的上表面，金属片表面材料开始产生熔化、蒸发和飞溅；当金属片工件底部的温度达到高温发泡剂的发泡温度时，发泡剂产生气泡并不断膨胀，直至冲破金属片工件，同时上冲的气泡携带熔渣和烟尘经抽吸管抽出；

[0013] (4)保持激光束继续照射1ms～500ms，用于修整孔的上部入口处和孔壁存在的挂渣，之后结束激光打孔脉冲；

[0014] (5)将激光束聚焦位置移到下一个需要打孔的位置，重复步骤(3)～(4)，直至完成所有孔的加工；

[0015] (6)待全部孔加工完毕后，取下工件，清洗去除金属片工件下表面残留的高温发泡剂。

[0016] 进一步的，步骤(1)中，所述密封抽吸罩与工件表面接触的位置设置有橡胶密封垫圈；步骤(3)中通过施加压力压紧所述橡胶密封垫圈可以实现激光光束打孔时离焦量的调节。

[0017] 本发明还同时提供了一种发泡辅助的金属片激光精密打孔装置，包括激光器、激光加工头、待加工金属片工件、基板、高温发泡剂和密封抽吸罩，待加工的金属片工件安装在加工基板上，所述加工基板的硬度大于金属片工件的硬度；所述高温发泡剂涂在基板的上表面或者金属片工件的下表面，所述高温发泡剂涂的厚度为0.01mm～1mm，发泡温度为150度以上；

[0018] 所述激光加工头包括导光光路、聚焦透镜和镜座，所述聚焦透镜安装在镜座上，激光器发射出的激光束经导光光路传输后入射至聚焦透镜，聚焦透镜将激光束聚焦在待加工的金属片工件上；

[0019] 所述金属片工件的上表面罩设一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩通过刚性支架固定安装在激光加工头的镜座下方；所述密封抽吸罩的高度小于激光加工头中聚焦透镜的焦距，并且恰好使得聚焦透镜的焦距等于密封抽吸罩的高度加上密封抽吸罩到聚焦透镜的距离，即保证密封抽吸罩与工件的接触面与激光束聚焦平面重合；所述密封抽吸罩的上部连接有抽吸管，所述抽吸管与外部的抽尘装置相连。

[0020] 进一步的，所述密封抽吸罩与工件表面接触的位置设置有橡胶密封垫圈。

[0021] 本发明具有如下有益效果：

[0022] (1)传统激光打孔技术采用的吹气方法，在金属孔的出口边缘处一定会存在液体熔渣在吹气气流携带下，从孔下部的出口处喷溅，无法避免会有少量挂璧粘附在出口边缘，最后凝固而导致熔渣毛刺，无法消除。本发明利用了发泡剂产生的气泡往上运动的冲破机制，实现了激光打孔过程中的液体熔渣去除，由于抛弃了传统打孔必不可少的向下吹气方式，使得出口部位不会产生向外的突出熔渣毛刺。虽然在气泡往上冲破之后，孔上部的入口处也会产生挂璧粘附的熔渣毛刺现象，但由于上部入口处距离激光焦点更近，继续接受一定时间的均匀、集中的激光照射，激光能量会使得入口处突出的挂璧粘附熔渣保持高温液态状态，在重力作用下，绝大部分高温挂璧粘附熔渣下流至孔内壁然后冷却凝固。因此，入口处的突出熔渣毛刺现象实际上是十分微小的，较传统激光打孔技术在出口处产生的突出熔渣毛刺要少得多，有效解决了激光打孔的毛刺问题；并且，这种液体下流凝固作用，其表面润湿作用会使得孔内壁更光滑，从而大大提高了孔的内壁质量。

[0023] (2)采用本发明的方法加工出的孔下部的出口处圆度更好，因为气泡的表面张力物理特征使得气泡边缘圆滑，往上运动的冲破机制使得下部出口圆度更好。

[0024] (3)本发明中由于发泡剂的气泡挤压上凸和最终冲破作用，使得打孔时熔化、蒸发和飞溅更加迅速和剧烈，因此这种辅助发泡能量的加入使得加工过程具有更少的激光能量消耗，更高的打孔效率，打孔时间也更短；实际应用时可以选择比传统方法更低的激光能量。

[0025] (4)本发明中由于气泡挤压使得金属片一侧往上微凸，将更加接近激光焦平面，改善了传统打孔方法由于金属片厚度方向上离焦量导致的喇叭口现象，孔的入口和出口孔径偏差也更小。

[0026] (5)本发明所述的装置部分结构简单，采用新颖的抽吸代替传统方法的吹气，使得不再需要传统方法必不可少的镂空底板夹具和加工头吹气装置，简化了工装夹具，降低了打孔设备成本。

[0027] (6)本发明所述的装置，在密封抽吸罩与工件表面接触的位置设置有橡胶密封垫圈，通过调节施加在密封抽吸罩的压紧力大小，或者通过抽吸密封抽吸罩内负压的大小，使得橡胶密封垫圈与金属片工件之间更加压紧或松弛，从而使得与密封抽吸罩直接固定相连的聚焦透镜相对金属片工件更加靠近或远离，这样可以实现激光打孔时激光束在工件表面离焦量的调节，调节起来十分简易方便，且可以加工过程中实时调节离焦量，解决深孔加工时离焦量过大导致能量密度不够的问题，非常有效。

附图说明

[0028] 图1为本发明所述金属片激光精密打孔装置的结构图；

[0029] 图2为金属片激光精密打孔过程中的原理图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0031] 如图1所示，本发明提供了一种发泡辅助的金属片激光精密打孔装置，包括激光器、激光加工头、待加工的金属片工件8、基板7、高温发泡剂6和密封抽吸罩3。

[0032] 待加工的金属片工件8安装在基板7上，并且加工基板7的硬度要大于金属片工件8的硬度。所述高温发泡剂6涂在基板7的上表面或者金属片工件8的下表面，所述高温发泡剂6涂的厚度为0.01mm～1mm，发泡温度为150度以上。

[0033] 激光加工头包括导光光路、聚焦透镜2和镜座9，其中聚焦透镜2安装在镜座9上，激光器发射出的激光束1经导光光路传输后入射至聚焦透镜2，聚焦透镜2将激光束1聚焦在待加工的金属片工件8上。激光加工头的运动由外部的XY两轴运动机构或多轴运动机构来驱动，此为现有技术，本发明对此不进行限制。

[0034] 所述金属片工件8的上表面罩设一密封抽吸罩3，所述密封抽吸罩3通过刚性支架固定安装在镜座9的下方；所述密封抽吸罩3的高度小于激光加工头中聚焦透镜2的焦距，并且恰好使得聚焦透镜2的焦距等于密封抽吸罩3的高度加上密封抽吸罩3到聚焦透镜2的距离，即保证密封抽吸罩3与工件的接触面与激光束1的聚焦平面重合；所述密封抽吸罩3的上部连接有抽吸管4，所述抽吸管4与外部的抽尘装置相连。优选的，所述密封抽吸罩
3与工件表面接触的位置设置有橡胶密封垫圈5，通过压力压紧橡胶密封垫圈5可以在一定的小范围内调节激光光束打孔时的离焦量。

[0035] 其中，金属片工件8可以为铝合金、钢铁、钛合金或铜等，基板7的硬度要求高于工件的硬度，其可以采用陶瓷或硅片等，其表面平整、粗糙度小(建议小于Ra12.5)。

[0036] 本实施例以金属片工件8为304不锈钢(厚度为1mm)，基板7为陶瓷(厚度为4mm)为例，进行发泡辅助的金属片激光精密打孔方法的说明。其中，激光器采用Nd：YAG固体激光器，激光波长为1064nm，激光加工参数为：激光功率5W、重复频率1KHz、脉冲宽度200ns。发泡剂成分为以阴离子表面活性剂为主要原料，以助溶剂、稳泡剂等为副料复配而成，发泡温度200摄氏度，采用刷涂方法布置在金属片的下底部表面或者基板的上表面并低温烘干水分，刷涂厚度为0.1mm～1mm。

[0037] 显然，本发明的实施方式对加工过程中的工艺参数并无特殊要求，金属片厚度、基片材质与厚度、发泡剂成分、激光加工参数均有一定的可选范围。典型的金属片厚度为0.1mm～2mm，基片材质可以是玻璃、硅片、陶瓷，厚度大于1mm，一般的发泡温度大于150度的高温发泡剂，激光功率1W～100W、重复频率100Hz～100KHz、脉冲宽度1ps～1ms，都是可行的。

[0038] 采用上述装置进行金属片激光精密打孔的方法，包括如下步骤：

[0039] (1)将待加工的金属片工件8安装到上述装置上固定好；

[0040] (2)启动与抽吸管4连接的外部的抽尘装置，向外抽气，使密封抽吸罩3内始终保持在负压状态；

[0041] (3)激光器输出激光打孔脉冲，激光束1经聚焦透镜2聚焦后，照射在金属片工件8的上表面，被照射局部区域因吸收激光而迅速升温，表面材料产生熔化、蒸发、飞溅等物理化学现象；

[0042] 同时激光束1输出的热量向周围和下部热传导，金属片被照射部位的强度由于升温而迅速降低，当金属片底部温度达到高温发泡剂的发泡温度时，发泡剂产生气泡并不断膨胀，在气泡膨胀压力的作用下，在高硬度和高刚度的基板7一侧的支撑下挤压另一侧相对较软的金属片工件8，使得金属片工件8的一侧往上微凸(如图2所示)；与此同时，随着材料的熔化、蒸发、飞溅，使得越来越薄的金属片最终被气泡冲破(会产生轻微爆破波)，上冲的气泡携带熔渣、发泡剂被激光烧蚀的烟尘等被抽吸走掉。

[0043] (4)当气泡爆破波产生后，保持激光束1继续照射1ms～500ms，这样能够利用激光束1进一步修整孔的上部入口处和孔壁可能存在的挂渣，之后结束激光打孔脉冲；

[0044] (5)将激光束1的聚焦位置移到下一个需要打孔的位置(利用XY工作台)，重复步骤(3)～(4)，直至完成所有孔的加工；

[0045] (6)待全部孔加工完毕后，取下工件，清洗去除金属片工件8下表面残留的高温发泡剂6。

[0046] 优选的，在步骤(3)中还可以通过调节施加在密封抽吸罩3的压紧力大小，或者通过抽吸密封抽吸罩3内负压的大小，从而使得密封抽吸罩3底端的橡胶密封垫圈5与金属片工件8之间更加压紧或松弛，从而使得与密封抽吸罩3直接固定相连的聚焦透镜2相对金属片工件8更加靠近，这样可以实现激光打孔时激光束在工件表面离焦量的调节，满足对较厚的金属片打孔时获得需要的正离焦量或负离焦量。

[0047] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。