一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置，包括激光器、激光加工頭、待加工金屬片工件、基板、高溫發(fā)泡劑和密封抽吸罩，待加工的金屬片工件安裝在加工基板上，所述加工基板的硬度大于金屬片工件的硬度；所述高溫發(fā)泡劑涂在基板的上表面或者金屬片工件的下表面，所述高溫發(fā)泡劑涂的厚度為0.01mm～1mm，發(fā)泡溫度為150度以上；所述金屬片工件的上表面罩設(shè)一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩通過(guò)剛性支架固定安裝在激光加工頭的鏡座下方。本實(shí)用新型所述的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用新穎的抽吸代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的吹氣，使得不再需要傳統(tǒng)方法必不可少的鏤空底板夾具和加工頭吹氣裝置，簡(jiǎn)化了工裝夾具，降低了打孔設(shè)備成本。
【專利說(shuō)明】一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]發(fā)泡劑是使對(duì)象物質(zhì)成孔的一種物質(zhì)，它可分為化學(xué)發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑和表面活性劑三大類?；瘜W(xué)發(fā)泡劑是那些經(jīng)加熱分解后能釋放出二氧化碳和氮?dú)獾葰怏w，并在聚合物組成中形成細(xì)孔的化合物；物理發(fā)泡劑就是泡沫細(xì)孔，它是通過(guò)某一種物質(zhì)的物理形態(tài)的變化，即通過(guò)壓縮氣體的膨脹、液體的揮發(fā)或固體的溶解而形成的；發(fā)泡劑均具有較高的表面活性，能有效降低液體的表面張力，并在液膜表面雙電子層排列而包圍空氣，形成氣泡，再由單個(gè)氣泡組成泡沫。
[0003]激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用硬度大、熔點(diǎn)高的材料越來(lái)越多，而傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足某些工藝要求。例如，在高熔點(diǎn)金屬鑰板上加工微米量級(jí)孔徑；在硬質(zhì)碳化鎢上加工幾十微米的小孔；在紅、藍(lán)寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學(xué)纖維的噴絲頭等。這一類的加工任務(wù)用常規(guī)機(jī)械加工方法很困難，有時(shí)甚至是不可能的，而用激光打孔則不難實(shí)現(xiàn)。
[0004]激光打孔是利用脈沖激光IO6?IO9W / cm2的高功率密度及優(yōu)良的空間相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸發(fā)，并輔助以高速氣流進(jìn)行各種材料的去除來(lái)實(shí)現(xiàn)孔的加工。打孔過(guò)程包括以下幾個(gè)物理過(guò)程:(I)吸收與加熱階段，金屬吸收光能，工件溫度迅速上升，通過(guò)熱傳遞透入內(nèi)部。(2)熔化階段，材料溫度在沸點(diǎn)和熔點(diǎn)之間，當(dāng)材料溫度超過(guò)熔點(diǎn)時(shí)，開始熔化，熔液表面向材料深處延伸。(3)汽化階段，材料溫度大于沸點(diǎn)，一部分材料被汽化產(chǎn)生材料蒸汽，材料表面開始出現(xiàn)圓窩，溶液表面繼續(xù)向材料內(nèi)部延伸。(4)等離子體產(chǎn)生階段，材料溫度遠(yuǎn)大于沸點(diǎn)，此時(shí)少量材料開始被汽化，同時(shí)把材料加熱到高溫；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(zhì)以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來(lái)，從而完成打孔過(guò)程。
[0005]這種激光精密打孔技術(shù)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(tǒng)的激光打孔技術(shù)很難達(dá)到；并且，傳統(tǒng)激光打孔技術(shù)采用的吹氣方法，在金屬孔的出口邊緣處一定會(huì)存在熔渣噴濺、粘附凝固而導(dǎo)致的毛刺現(xiàn)象，無(wú)法消除。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置；采用該裝置進(jìn)行激光打孔，可以保證孔圓度好、出口邊緣無(wú)毛刺、孔入口和出口孔徑偏差小。
[0007]本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置，包括激光器、激光加工頭、待加工金屬片工件、基板、高溫發(fā)泡劑和密封抽吸罩，待加工的金屬片工件安裝在加工基板上，所述加工基板的硬度大于金屬片工件的硬度；所述高溫發(fā)泡劑涂在基板的上表面或者金屬片工件的下表面，所述高溫發(fā)泡劑涂的厚度為0.0lmm?1mm，發(fā)泡溫度為150度以上；
[0009]所述激光加工頭包括導(dǎo)光光路、聚焦透鏡和鏡座，所述聚焦透鏡安裝在鏡座上，激光器發(fā)射出的激光束經(jīng)導(dǎo)光光路傳輸后入射至聚焦透鏡，聚焦透鏡將激光束聚焦在待加工的金屬片工件上；
[0010]所述金屬片工件的上表面罩設(shè)一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩通過(guò)剛性支架固定安裝在激光加工頭的鏡座下方；所述密封抽吸罩的高度小于激光加工頭中聚焦透鏡的焦距，并且恰好使得聚焦透鏡的焦距等于密封抽吸罩的高度加上密封抽吸罩到聚焦透鏡的距離，即保證密封抽吸罩與工件的接觸面與激光束聚焦平面重合；所述密封抽吸罩的上部連接有抽吸管，所述抽吸管與外部的抽塵裝置相連。
[0011]進(jìn)一步的，所述密封抽吸罩與工件表面接觸的位置設(shè)置有橡膠密封墊圈。
[0012]本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0013](I)傳統(tǒng)激光打孔技術(shù)采用的吹氣方法，在金屬孔的出口邊緣處一定會(huì)存在液體熔渣在吹氣氣流攜帶下，從孔下部的出口處噴濺，無(wú)法避免會(huì)有少量掛璧粘附在出口邊緣，最后凝固而導(dǎo)致熔渣毛刺，無(wú)法消除。本實(shí)用新型利用了發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡往上運(yùn)動(dòng)的沖破機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了激光打孔過(guò)程中的液體熔渣去除，由于拋棄了傳統(tǒng)打孔必不可少的向下吹氣方式，使得出口部位不會(huì)產(chǎn)生向外的突出熔渣毛刺。雖然在氣泡往上沖破之后，孔上部的入口處也會(huì)產(chǎn)生掛璧粘附的熔渣毛刺現(xiàn)象，但由于上部入口處距離激光焦點(diǎn)更近，繼續(xù)接受一定時(shí)間的均勻、集中的激光照射，激光能量會(huì)使得入口處突出的掛璧粘附熔渣保持高溫液態(tài)狀態(tài)，在重力作用下，絕大部分高溫掛璧粘附熔渣下流至孔內(nèi)壁然后冷卻凝固。因此，入口處的突出熔渣毛刺現(xiàn)象實(shí)際上是十分微小的，較傳統(tǒng)激光打孔技術(shù)在出口處產(chǎn)生的突出熔渣毛刺要少得多，有效解決了激光打孔的毛刺問(wèn)題；并且，這種液體下流凝固作用，其表面潤(rùn)濕作用會(huì)使得孔內(nèi)壁更光滑，從而大大提高了孔的內(nèi)壁質(zhì)量。
[0014](2)采用本實(shí)用新型的方法加工出的孔下部的出口處圓度更好，因?yàn)闅馀莸谋砻鎻埩ξ锢硖卣魇沟脷馀葸吘増A滑，往上運(yùn)動(dòng)的沖破機(jī)制使得下部出口圓度更好。
[0015](3)本實(shí)用新型中由于發(fā)泡劑的氣泡擠壓上凸和最終沖破作用，使得打孔時(shí)熔化、蒸發(fā)和飛濺更加迅速和劇烈，因此這種輔助發(fā)泡能量的加入使得加工過(guò)程具有更少的激光能量消耗，更高的打孔效率，打孔時(shí)間也更短；實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以選擇比傳統(tǒng)方法更低的激光倉(cāng)tfi。
[0016](4)本實(shí)用新型中由于氣泡擠壓使得金屬片一側(cè)往上微凸，將更加接近激光焦平面，改善了傳統(tǒng)打孔方法由于金屬片厚度方向上離焦量導(dǎo)致的喇叭口現(xiàn)象，孔的入口和出口孔徑偏差也更小。
[0017](5)本實(shí)用新型所述的裝置部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用新穎的抽吸代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的吹氣，使得不再需要傳統(tǒng)方法必不可少的鏤空底板夾具和加工頭吹氣裝置，簡(jiǎn)化了工裝夾具，降低了打孔設(shè)備成本。
[0018](6)本實(shí)用新型所述的裝置，在密封抽吸罩與工件表面接觸的位置設(shè)置有橡膠密封墊圈，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在密封抽吸罩的壓緊力大小，或者通過(guò)抽吸密封抽吸罩內(nèi)負(fù)壓的大小，使得橡膠密封墊圈與金屬片工件之間更加壓緊或松弛，從而使得與密封抽吸罩直接固定相連的聚焦透鏡相對(duì)金屬片工件更加靠近或遠(yuǎn)離，這樣可以實(shí)現(xiàn)激光打孔時(shí)激光束在工件表面離焦量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)起來(lái)十分簡(jiǎn)易方便，且可以加工過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)離焦量，解決深孔加工時(shí)離焦量過(guò)大導(dǎo)致能量密度不夠的問(wèn)題，非常有效。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型所述金屬片激光精密打孔裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2為金屬片激光精密打孔過(guò)程中的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0022]如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置，包括激光器、激光加工頭、待加工的金屬片工件8、基板7、高溫發(fā)泡劑6和密封抽吸罩3。
[0023]待加工的金屬片工件8安裝在基板7上，并且加工基板7的硬度要大于金屬片工件8的硬度。所述高溫發(fā)泡劑6涂在基板7的上表面或者金屬片工件8的下表面，所述高溫發(fā)泡劑6涂的厚度為0.0lmm?1mm，發(fā)泡溫度為150度以上。
[0024]激光加工頭包括導(dǎo)光光路、聚焦透鏡2和鏡座9，其中聚焦透鏡2安裝在鏡座9上，激光器發(fā)射出的激光束I經(jīng)導(dǎo)光光路傳輸后入射至聚焦透鏡2，聚焦透鏡2將激光束I聚焦在待加工的金屬片工件8上。激光加工頭的運(yùn)動(dòng)由外部的XY兩軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)，此為現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型對(duì)此不進(jìn)行限制。
[0025]所述金屬片工件8的上表面罩設(shè)一密封抽吸罩3，所述密封抽吸罩3通過(guò)剛性支架固定安裝在鏡座9的下方；所述密封抽吸罩3的高度小于激光加工頭中聚焦透鏡2的焦距，并且恰好使得聚焦透鏡2的焦距等于密封抽吸罩3的高度加上密封抽吸罩3到聚焦透鏡2的距離，即保證密封抽吸罩3與工件的接觸面與激光束I的聚焦平面重合；所述密封抽吸罩3的上部連接有抽吸管4，所述抽吸管4與外部的抽塵裝置相連。優(yōu)選的，所述密封抽吸罩3與工件表面接觸的位置設(shè)置有橡膠密封墊圈5，通過(guò)壓力壓緊橡膠密封墊圈5可以在一定的小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光光束打孔時(shí)的離焦量。
[0026]其中，金屬片工件8可以為鋁合金、鋼鐵、鈦合金或銅等，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(建議小于Ral2.5)。
[0027]本實(shí)施例以金屬片工件8為304不銹鋼(厚度為Imm)，基板7為陶瓷(厚度為4_)為例，進(jìn)行發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔方法的說(shuō)明。其中，激光器采用Nd =YAG固體激光器，激光波長(zhǎng)為1064nm，激光加工參數(shù)為:激光功率5W、重復(fù)頻率ΙΚΗζ、脈沖寬度200ns。發(fā)泡劑成分為以陰離子表面活性劑為主要原料，以助溶劑、穩(wěn)泡劑等為副料復(fù)配而成，發(fā)泡溫度200攝氏度，采用刷涂方法布置在金屬片的下底部表面或者基板的上表面并低溫烘干水分，刷涂厚度為0.1mm?1mm。
[0028]顯然，本實(shí)用新型的實(shí)施方式對(duì)加工過(guò)程中的工藝參數(shù)并無(wú)特殊要求，金屬片厚度、基片材質(zhì)與厚度、發(fā)泡劑成分、激光加工參數(shù)均有一定的可選范圍。典型的金屬片厚度為0.1mm?2mm,基片材質(zhì)可以是玻璃、娃片、陶瓷,厚度大于Imm,—般的發(fā)泡溫度大于150度的高溫發(fā)泡劑，激光功率IW?100W、重復(fù)頻率IOOHz?ΙΟΟΚΗζ、脈沖寬度Ips?1ms，都是可行的。
[0029]采用上述裝置進(jìn)行金屬片激光精密打孔的方法，包括如下步驟:[0030](I)將待加工的金屬片工件8安裝到上述裝置上固定好；
[0031](2)啟動(dòng)與抽吸管4連接的外部的抽塵裝置，向外抽氣，使密封抽吸罩3內(nèi)始終保持在負(fù)壓狀態(tài)；
[0032](3)激光器輸出激光打孔脈沖，激光束I經(jīng)聚焦透鏡2聚焦后，照射在金屬片工件8的上表面，被照射局部區(qū)域因吸收激光而迅速升溫，表面材料產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)、飛濺等物理化學(xué)現(xiàn)象；
[0033]同時(shí)激光束I輸出的熱量向周圍和下部熱傳導(dǎo)，金屬片被照射部位的強(qiáng)度由于升溫而迅速降低，當(dāng)金屬片底部溫度達(dá)到高溫發(fā)泡劑的發(fā)泡溫度時(shí)，發(fā)泡劑產(chǎn)生氣泡并不斷膨脹，在氣泡膨脹壓力的作用下，在高硬度和高剛度的基板7—側(cè)的支撐下擠壓另一側(cè)相對(duì)較軟的金屬片工件8，使得金屬片工件8的一側(cè)往上微凸(如圖2所示)；與此同時(shí)，隨著材料的熔化、蒸發(fā)、飛濺，使得越來(lái)越薄的金屬片最終被氣泡沖破(會(huì)產(chǎn)生輕微爆破波)，上沖的氣泡攜帶熔渣、發(fā)泡劑被激光燒蝕的煙塵等被抽吸走掉。
[0034](4)當(dāng)氣泡爆破波產(chǎn)生后，保持激光束I繼續(xù)照射Ims?500ms，這樣能夠利用激光束I進(jìn)一步修整孔的上部入口處和孔壁可能存在的掛渣，之后結(jié)束激光打孔脈沖；
[0035](5)將激光束I的聚焦位置移到下一個(gè)需要打孔的位置(利用XY工作臺(tái))，重復(fù)步驟(3)?(4)，直至完成所有孔的加工；
[0036](6)待全部孔加工完畢后，取下工件，清洗去除金屬片工件8下表面殘留的高溫發(fā)泡劑6。
[0037]優(yōu)選的，在步驟(3)中還可以通過(guò)調(diào)節(jié)施加在密封抽吸罩3的壓緊力大小，或者通過(guò)抽吸密封抽吸罩3內(nèi)負(fù)壓的大小,從而使得密封抽吸罩3底端的橡膠密封墊圈5與金屬片工件8之間更加壓緊或松弛，從而使得與密封抽吸罩3直接固定相連的聚焦透鏡2相對(duì)金屬片工件8更加靠近，這樣可以實(shí)現(xiàn)激光打孔時(shí)激光束在工件表面離焦量的調(diào)節(jié)，滿足對(duì)較厚的金屬片打孔時(shí)獲得需要的正離焦量或負(fù)離焦量。
[0038]本實(shí)用新型可改變?yōu)槎喾N方式對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，這樣的改變不認(rèn)為脫離本實(shí)用新型的范圍。所有這樣的對(duì)所述領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的修改，將包括在本權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種抽吸式金屬片激光精密打孔裝置,其特征在于，包括激光器、激光加工頭、待加工金屬片工件、基板、高溫發(fā)泡劑和密封抽吸罩，待加工的金屬片工件安裝在加工基板上，所述加工基板的硬度大于金屬片工件的硬度；所述高溫發(fā)泡劑涂覆在基板的上表面或者金屬片工件的下表面，所述高溫發(fā)泡劑的厚度為0.0lmm?Imm ； 所述激光加工頭包括導(dǎo)光光路、聚焦透鏡和鏡座，所述聚焦透鏡安裝在鏡座上，激光器發(fā)射出的激光束經(jīng)導(dǎo)光光路傳輸后入射至聚焦透鏡，聚焦透鏡將激光束聚焦在待加工的金屬片工件上； 所述金屬片工件的上表面罩設(shè)一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩通過(guò)剛性支架固定安裝在激光加工頭的鏡座下方；所述密封抽吸罩的高度小于激光加工頭中聚焦透鏡的焦距，并且恰好使得聚焦透鏡的焦距等于密封抽吸罩的高度加上密封抽吸罩到聚焦透鏡的距離，即保證密封抽吸罩與工件的接觸面與激光束聚焦平面重合；所述密封抽吸罩的上部連接有抽吸管，所述抽吸管與外部的抽塵裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽吸式金屬片激光精密打孔裝置，其特征在于，所述密封抽吸罩與工件表面接觸的位置設(shè)置有橡膠密封墊圈。
【文檔編號(hào)】B23K26/142GK203738236SQ201420135452
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】曹宇, 魏鑫磊, 余婷婷, 余德格, 朱德華, 李峰平, 馮愛(ài)新 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)