專利名稱：一種激光打孔裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光應(yīng)用裝置，也涉及激光加工技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)中，激光加工已經(jīng)成為汽車、航空、電子等行業(yè)的重要加工手段，它不僅可以用來制作常規(guī)方法難以制作的微小結(jié)構(gòu)，而且也可以用來加工常規(guī)方法難以加工的高硬度材料。例如在微電子行業(yè)，激光已經(jīng)被用來切割硅片、制作合金化的半導(dǎo)體p-n結(jié)以及集成電路的封裝等。激光打孔是目前最為成熟的技術(shù)。它常被用于對(duì)片狀金屬、陶瓷、復(fù)合材料的打孔加工中，它可以方便快捷地在超硬材料上打出一系列孔徑和傾角均可調(diào)的通孔。例如用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火力發(fā)電機(jī)的渦輪葉片上的打孔加工。
激光打孔一般是采用高功率的脈沖NdYAG激光器作為激光光源，并將待加工工件放置在出射激光的光路上。激光打孔過程是一個(gè)燒蝕過程。首先，當(dāng)一束高能激光脈沖轟擊到工件表面時(shí)，工件表面溫度急劇升高，工件的表面物質(zhì)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)吸收激光脈沖的部分能量發(fā)生汽化，而亞表面物質(zhì)會(huì)吸收余下的能量產(chǎn)生熔化。然后，當(dāng)激光脈沖消失后，由于工件表面的冷卻，使得亞表面部分溫度最高，亞表面物質(zhì)的熔化、蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生很高的壓力，把部分熔融物質(zhì)擠壓到工件體外，并以氣化等離子體的形式從工件表面噴出。周而復(fù)始地重復(fù)激光脈沖，工件即被穿孔。在激光打孔的過程中，由于熱傳導(dǎo)作用，在孔的周圍區(qū)域通常會(huì)形成熱影響區(qū)，并產(chǎn)生重鑄層、微裂紋等現(xiàn)象，這將直接影響到工件的性能和使用壽命。因此，如何充分利用激光的高能量進(jìn)行孔加工，同時(shí)盡可能降低其因高溫帶來的負(fù)面影響，一直是科技工作者面臨的重大課題。
近年的研究表明，采用短波長(zhǎng)超短脈沖激光會(huì)有利于提高打孔的質(zhì)量。例如US6172331中公開的利用調(diào)Q脈沖NdYAG的二倍頻532nm激光進(jìn)行打孔的方法，能有效地減少打孔中形成的熱影響區(qū)、重鑄層和微裂紋現(xiàn)象。對(duì)于相同厚度、同樣材料的工件，使用常規(guī)的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光，例如不調(diào)Q的脈沖NdYAG基頻1064nm激光打孔，只需不到1秒即可穿孔，它的打孔速度快，但成孔質(zhì)量差；而采用短波長(zhǎng)激光打孔，例如上述長(zhǎng)波長(zhǎng)激光調(diào)Q并4倍頻后的266nm激光，卻需要2～3分鐘才能穿孔，它的打孔速度慢，但成孔質(zhì)量好。這些缺陷給大規(guī)模工業(yè)化使用帶來不利影響。
本實(shí)用新型的目的在于，提供一種能提高打孔質(zhì)量并具有較高打孔速度的激光打孔裝置。
本實(shí)用新型的激光打孔裝置，其特征在于，它包括有一臺(tái)長(zhǎng)脈沖的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器(S1)和一臺(tái)短脈沖的短波長(zhǎng)激光器(S2)，兩臺(tái)激光器安裝在同一底座上，其輸出的激光軸線在同一水平面且相互垂直；兩束激光交匯處設(shè)置有一個(gè)與兩束光軸線均成45°的透射/反射平面鏡，該平面鏡是能夠完全透射S1所輸出的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光、并能夠完全反射S2所輸出的短波長(zhǎng)激光的光學(xué)平面鏡，或者是能夠完全透射S2所輸出的短波長(zhǎng)激光，同時(shí)能夠完全反射S1所輸出的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的光學(xué)平面鏡；在所述平面鏡輸出激光的光路上設(shè)有一聚焦透鏡，該聚焦透鏡放置在能沿光路方向移動(dòng)位置的導(dǎo)軌上。
使用本激光打孔裝置進(jìn)行打孔加工時(shí)，先將本激光打孔裝置置于待加工件的近處，并使激光軸線射到工件的待加工面上，打孔過程分為兩步(1)調(diào)節(jié)聚焦透鏡的前后位置，使其聚焦在工件待加工面上的激光焦斑小于所要加工的孔徑，一般取所要加工孔徑的80％～90％，然后打開長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器S1輸出激光脈沖，工件穿孔后關(guān)閉長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器S1輸出；(2)調(diào)節(jié)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，使短波長(zhǎng)激光器S2輸出激光脈沖，至無明顯的等離子體噴射現(xiàn)象時(shí)即打孔結(jié)束，關(guān)閉其輸出。
本實(shí)用新型的激光打孔裝置，將兩臺(tái)不同波長(zhǎng)的激光器組裝在同一底座上，并將用以聚焦的凸透鏡放置在能相對(duì)底座作移動(dòng)的導(dǎo)軌上，因而能方便地前后調(diào)整其位置，來調(diào)節(jié)在工件表面的激光焦斑的大小，有效地縮短調(diào)整時(shí)間，有利于在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩步打孔。使用本實(shí)用新型進(jìn)行打孔加工時(shí)，其對(duì)每個(gè)孔的加工均分兩步進(jìn)行，即先用長(zhǎng)波長(zhǎng)激光快速穿孔，然后再采用短波長(zhǎng)激光擴(kuò)出成形孔。在擴(kuò)孔成形過程中，激光能同時(shí)修復(fù)快速穿孔過程形成的缺陷，即清除該孔內(nèi)壁周圍的重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)等，從而最終實(shí)現(xiàn)了用較短的時(shí)間打出較高質(zhì)量的孔。其原因在于，激光波長(zhǎng)越短，光子能量越高，對(duì)金屬作用的能量越大，同時(shí)材料對(duì)短波長(zhǎng)激光的吸收率高，所以其激光能量的耦合效率高，真正用來汽化工件物質(zhì)的能量的比例也高。如果熔融物質(zhì)達(dá)到完全汽化的程度，則將完全從孔內(nèi)噴出，不會(huì)凝聚在孔壁內(nèi)形成重鑄層以及微裂紋等。相比現(xiàn)有技術(shù)中使用單臺(tái)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器快速穿孔來說，本實(shí)用新型能有效地提高加工孔的質(zhì)量；相比現(xiàn)有技術(shù)中采用單臺(tái)短波長(zhǎng)激光器進(jìn)行打孔的情況，本實(shí)用新型能大大提高了工作效率。因此本激光打孔裝置，更加有利于工業(yè)化應(yīng)用。
下面通過實(shí)施例及其附圖作進(jìn)一步說明。


圖1是本實(shí)用新型的激光打孔裝置的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的激光打孔裝置中所述放置聚焦凸透鏡的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，(1)為長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器S1，(2)為短波長(zhǎng)激光器S2，(3)為平面鏡M1，它是能夠完全透射S1所輸出的激光、并能夠完全反射S2所輸出的激光的透射/反射光學(xué)平面鏡，(4)為聚焦凸透鏡M2，(5)為底板，S1、S2、M1、M2均安裝在此底板上，長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器S1與短波長(zhǎng)激光器S2輸出的激光軸線在同一水平面且相互垂直，透射/反射光學(xué)平面鏡M1放置與兩束激光軸線的交匯處，并分別與兩軸線成45°角。(6)為放置聚焦凸透鏡M2的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。(7)為待加工工件。為了調(diào)整方便以及使激光焦斑達(dá)到最大的功率密度，本實(shí)施例中使激光器S1與平面鏡中心的距離L1等于激光器S2與平面鏡中心的距離L2，并且平面鏡中心與聚焦透鏡之間的距離L3可取10cm左右。
圖2中，(8)為與聚焦凸透鏡M2固連的移動(dòng)滑塊，(9)為導(dǎo)軌底座，其兩側(cè)設(shè)有用于固定的定位孔。移動(dòng)滑塊與導(dǎo)軌底座的接觸面設(shè)有配合的V型槽，構(gòu)成能相對(duì)滑動(dòng)的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。(10)為螺桿，它和移動(dòng)滑塊孔中的內(nèi)螺紋相配合，構(gòu)成螺桿、螺母機(jī)構(gòu)，螺桿兩端支承在導(dǎo)軌底座上，其右端伸至導(dǎo)軌底座外側(cè)，并與步進(jìn)電機(jī)(11)的主軸連接。當(dāng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，由于螺桿、螺母機(jī)構(gòu)的作用，則使移動(dòng)滑塊能相對(duì)作導(dǎo)軌底座移動(dòng)，由此帶動(dòng)聚焦凸透鏡位移，起到調(diào)節(jié)聚焦凸透鏡M2位置的作用。
權(quán)利要求1.一種激光打孔裝置，其特征在于，它包括有一臺(tái)長(zhǎng)脈沖的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器(S1)和一臺(tái)短脈沖的短波長(zhǎng)激光器(S2)，兩臺(tái)激光器安裝在同一底座上，其輸出的激光軸線在同一水平面且相互垂直；兩束激光交匯處設(shè)置有一個(gè)與兩束光軸線均成45°的透射/反射平面鏡；在所述平面鏡輸出激光的光路上設(shè)有一聚焦透鏡，該聚焦透鏡放置在能沿光路方向移動(dòng)位置的導(dǎo)軌上。
2.如權(quán)利要求1所述的激光打孔裝置，其特征在于，所述透射/反射平面鏡是能夠完全透射S1所輸出的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光、并能夠完全反射S2所輸出的短波長(zhǎng)激光的光學(xué)平面鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的激光打孔裝置，其特征在于，所述透射/反射平面鏡是能夠完全透射S2所輸出的短波長(zhǎng)激光、并能夠完全反射S1所輸出的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的光學(xué)平面鏡。
專利摘要本實(shí)用新型涉及激光應(yīng)用裝置及激光加工技術(shù)。它包括有一臺(tái)長(zhǎng)脈沖的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器和一臺(tái)短脈沖的短波長(zhǎng)激光器,其輸出的激光軸線在同一水平面且相互垂直;兩束激光交匯處設(shè)置有一個(gè)與兩束光軸線均成45°的透射/反射平面鏡;在所述平面鏡輸出激光的光路上設(shè)有一能沿光路方向移動(dòng)位置的聚焦透鏡。進(jìn)行打孔加工時(shí),每個(gè)孔的加工均分兩步,即先用長(zhǎng)波長(zhǎng)激光快速穿孔,再用短波長(zhǎng)激光擴(kuò)出成形孔。本實(shí)用新型能在有效保證質(zhì)量的情況下,提高工作效率。因此更加有利于工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K26/00GK2474263SQ0123776
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期2001年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月10日
發(fā)明者吳氣虹, 馬玉蓉, 方容川, 常超, 陳向力 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)