专利名称：一种激光打孔装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光应用装置，也涉及激光加工技术。
现有技术中，激光加工已经成为汽车、航空、电子等行业的重要加工手段，它不仅可以用来制作常规方法难以制作的微小结构，而且也可以用来加工常规方法难以加工的高硬度材料。例如在微电子行业，激光已经被用来切割硅片、制作合金化的半导体p-n结以及集成电路的封装等。激光打孔是目前最为成熟的技术。它常被用于对片状金属、陶瓷、复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径和倾角均可调的通孔。例如用于飞机发动机和火力发电机的涡轮叶片上的打孔加工。
激光打孔一般是采用高功率的脉冲NdYAG激光器作为激光光源，并将待加工工件放置在出射激光的光路上。激光打孔过程是一个烧蚀过程。首先，当一束高能激光脉冲轰击到工件表面时，工件表面温度急剧升高，工件的表面物质会在很短的时间内吸收激光脉冲的部分能量发生汽化，而亚表面物质会吸收余下的能量产生熔化。然后，当激光脉冲消失后，由于工件表面的冷却，使得亚表面部分温度最高，亚表面物质的熔化、蒸发会产生很高的压力，把部分熔融物质挤压到工件体外，并以气化等离子体的形式从工件表面喷出。周而复始地重复激光脉冲，工件即被穿孔。在激光打孔的过程中，由于热传导作用，在孔的周围区域通常会形成热影响区，并产生重铸层、微裂纹等现象，这将直接影响到工件的性能和使用寿命。因此，如何充分利用激光的高能量进行孔加工，同时尽可能降低其因高温带来的负面影响，一直是科技工作者面临的重大课题。
近年的研究表明，采用短波长超短脉冲激光会有利于提高打孔的质量。例如US6172331中公开的利用调Q脉冲NdYAG的二倍频532nm激光进行打孔的方法，能有效地减少打孔中形成的热影响区、重铸层和微裂纹现象。对于相同厚度、同样材料的工件，使用常规的长波长激光，例如不调Q的脉冲NdYAG基频1064nm激光打孔，只需不到1秒即可穿孔，它的打孔速度快，但成孔质量差；而采用短波长激光打孔，例如上述长波长激光调Q并4倍频后的266nm激光，却需要2～3分钟才能穿孔，它的打孔速度慢，但成孔质量好。这些缺陷给大规模工业化使用带来不利影响。
本实用新型的目的在于，提供一种能提高打孔质量并具有较高打孔速度的激光打孔装置。
本实用新型的激光打孔装置，其特征在于，它包括有一台长脉冲的长波长激光器(S1)和一台短脉冲的短波长激光器(S2)，两台激光器安装在同一底座上，其输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直；两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成45°的透射/反射平面镜，该平面镜是能够完全透射S1所输出的长波长激光、并能够完全反射S2所输出的短波长激光的光学平面镜，或者是能够完全透射S2所输出的短波长激光，同时能够完全反射S1所输出的长波长激光的光学平面镜；在所述平面镜输出激光的光路上设有一聚焦透镜，该聚焦透镜放置在能沿光路方向移动位置的导轨上。
使用本激光打孔装置进行打孔加工时，先将本激光打孔装置置于待加工件的近处，并使激光轴线射到工件的待加工面上，打孔过程分为两步(1)调节聚焦透镜的前后位置，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径，一般取所要加工孔径的80％～90％，然后打开长波长激光器S1输出激光脉冲，工件穿孔后关闭长波长激光器S1输出；(2)调节聚焦透镜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径，使短波长激光器S2输出激光脉冲，至无明显的等离子体喷射现象时即打孔结束，关闭其输出。
本实用新型的激光打孔装置，将两台不同波长的激光器组装在同一底座上，并将用以聚焦的凸透镜放置在能相对底座作移动的导轨上，因而能方便地前后调整其位置，来调节在工件表面的激光焦斑的大小，有效地缩短调整时间，有利于在较短时间内实现两步打孔。使用本实用新型进行打孔加工时，其对每个孔的加工均分两步进行，即先用长波长激光快速穿孔，然后再采用短波长激光扩出成形孔。在扩孔成形过程中，激光能同时修复快速穿孔过程形成的缺陷，即清除该孔内壁周围的重铸层、微裂纹和热影响区等，从而最终实现了用较短的时间打出较高质量的孔。其原因在于，激光波长越短，光子能量越高，对金属作用的能量越大，同时材料对短波长激光的吸收率高，所以其激光能量的耦合效率高，真正用来汽化工件物质的能量的比例也高。如果熔融物质达到完全汽化的程度，则将完全从孔内喷出，不会凝聚在孔壁内形成重铸层以及微裂纹等。相比现有技术中使用单台长波长激光器快速穿孔来说，本实用新型能有效地提高加工孔的质量；相比现有技术中采用单台短波长激光器进行打孔的情况，本实用新型能大大提高了工作效率。因此本激光打孔装置，更加有利于工业化应用。
下面通过实施例及其附图作进一步说明。
图1是本实用新型的激光打孔装置的一种实施例的结构示意图。
图2是本实用新型的激光打孔装置中所述放置聚焦凸透镜的导轨机构的结构示意图。
图1中，(1)为长波长激光器S1，(2)为短波长激光器S2，(3)为平面镜M1，它是能够完全透射S1所输出的激光、并能够完全反射S2所输出的激光的透射/反射光学平面镜，(4)为聚焦凸透镜M2，(5)为底板，S1、S2、M1、M2均安装在此底板上，长波长激光器S1与短波长激光器S2输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直，透射/反射光学平面镜M1放置与两束激光轴线的交汇处，并分别与两轴线成45°角。(6)为放置聚焦凸透镜M2的导轨机构。(7)为待加工工件。为了调整方便以及使激光焦斑达到最大的功率密度，本实施例中使激光器S1与平面镜中心的距离L1等于激光器S2与平面镜中心的距离L2，并且平面镜中心与聚焦透镜之间的距离L3可取10cm左右。
图2中，(8)为与聚焦凸透镜M2固连的移动滑块，(9)为导轨底座，其两侧设有用于固定的定位孔。移动滑块与导轨底座的接触面设有配合的V型槽，构成能相对滑动的导轨机构。(10)为螺杆，它和移动滑块孔中的内螺纹相配合，构成螺杆、螺母机构，螺杆两端支承在导轨底座上，其右端伸至导轨底座外侧，并与步进电机(11)的主轴连接。当启动步进电机时，由于螺杆、螺母机构的作用，则使移动滑块能相对作导轨底座移动，由此带动聚焦凸透镜位移，起到调节聚焦凸透镜M2位置的作用。
权利要求1.一种激光打孔装置，其特征在于，它包括有一台长脉冲的长波长激光器(S1)和一台短脉冲的短波长激光器(S2)，两台激光器安装在同一底座上，其输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直；两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成45°的透射/反射平面镜；在所述平面镜输出激光的光路上设有一聚焦透镜，该聚焦透镜放置在能沿光路方向移动位置的导轨上。
2.如权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述透射/反射平面镜是能够完全透射S1所输出的长波长激光、并能够完全反射S2所输出的短波长激光的光学平面镜。
3.如权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述透射/反射平面镜是能够完全透射S2所输出的短波长激光、并能够完全反射S1所输出的长波长激光的光学平面镜。
专利摘要本实用新型涉及激光应用装置及激光加工技术。它包括有一台长脉冲的长波长激光器和一台短脉冲的短波长激光器,其输出的激光轴线在同一水平面且相互垂直;两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成45°的透射/反射平面镜;在所述平面镜输出激光的光路上设有一能沿光路方向移动位置的聚焦透镜。进行打孔加工时,每个孔的加工均分两步,即先用长波长激光快速穿孔,再用短波长激光扩出成形孔。本实用新型能在有效保证质量的情况下,提高工作效率。因此更加有利于工业化应用。
文档编号B23K26/00GK2474263SQ0123776
公开日2002年1月30日 申请日期2001年5月10日 优先权日2001年5月10日
发明者吴气虹, 马玉蓉, 方容川, 常超, 陈向力 申请人:中国科学技术大学