一种四振镜群孔加工方法与流程

1.本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种四振镜群孔加工方法。


背景技术：

2.微小孔主要应用在半导体行业和航空航天领域，对于孔的圆度和锥度的要求都十分的高，常用的激光打孔方法为单振镜组扫描和多光楔组合旋切打孔，通过逐层环切扫描或螺旋扫描。这两种方法的优点在于能够解决传统打孔方法中存在的问题，并且能处理微米级别的微小孔，但两者都需要通过确定每一个孔的中心位置后才能完成打孔，打孔效率低下，同时上述办法的激光是连续作用的，导致在打孔的过程中等离子体干扰激光能量的传递，降低了微小孔完成的效率，对于工业打孔领域极为不实用。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了四振镜群孔加工方法，其目的在于解决现有打孔技术中，无法解决的打孔效率低下和质量不达标的问题，进而通过本发明对现有的打孔进行调节优化，本发明提供了一种四振镜群孔加工方法，包括如下步骤：
4.s1：将振镜组、聚焦镜和加工平台沿光路依次设置，所述振镜组包括联动控制的x1振镜、y1振镜、x2振镜和y2振镜，所述聚焦镜和所述加工平台之间的间距可通过调节机构进行调节；
5.s2：在打孔软件中导入群孔所包含的特征，通过软件内置的计算振镜偏转角度的公式将在打孔过程中每个振镜的运动进行计算，再对振镜组进行调控；x1振镜偏转实现光束在聚焦镜x方向的偏移，x2振镜补偿x1振镜的偏转角度后实现光束在x方向的偏移，y1振镜偏转实现光束在聚焦镜y方向的偏移，y2振镜补偿y1振镜的偏转角度后实现光束在y方向的角度偏移，通过控制振镜的偏转角度来控制小孔所在的具体位置及打孔的锥度和大小，满足孔径、锥度可调的异形群孔微小孔阵加工需求；
6.s3：依次加工每个孔的同一层的区域，等到每一层加工完后，调节升降机构，使得光束焦点向孔的下一层移动，进行下一层的加工，重复上述步骤直至完成群孔加工。
7.在加工不同锥度深孔时，精准控制光束焦点位置的同时，聚焦光束不会被上层的孔壁遮挡，可以很好的对孔的内部进行加工。
8.在打孔过程中，通过控制振镜组中振镜的偏转角度，来对所加工孔的位置、锥度及孔径进行控制，最后再通过调节机构调节聚焦镜的聚焦作用完成打孔。
9.较佳地，所述调节机构为z轴升降机构。
10.较佳地，所述z轴升降机构可以使加工平台或聚焦镜进行升降。
11.工件放置在加工平台上，一种方式是通过对聚焦镜进行升降，改变焦点在工件上的位置，另一种方式是通过对加工平台进行升降，改变焦点在工件上的位置，进行孔的更深度加工。
12.较佳地，所述x1振镜与x2振镜的距离和y1振镜与y2振镜的距离相同。
13.较佳地，在步骤s2中，加工零锥矩形孔时振镜偏转角度的公式为，微孔的坐标位置为(l1，l2)，光束半径为d，聚焦镜焦距为f，孔的x方向半径为a，y方向的半径为b，x1振镜和x2振镜之间的距离为l
x1x2
，x2振镜与聚焦镜的距离l
x2
f，y1振镜和y2振镜之间的距离为l
y1y2
，θ
x1
、θ
x2
、θ
y1
、θ
y2
为四个振镜的角度，振镜组偏转的计算公式为：
14.(θ
x1
+θ
x2
)*f＝x
[0015][0016]
(θ
y1
+θ
y2
)*f＝y
[0017][0018]
振镜x1的偏转角
[0019]
振镜y1的偏转角
[0020]
振镜x2的偏转角
[0021]
振镜y2的偏转角
[0022]
较佳地，在步骤s3中，依次加工每个孔的同一层的部分或全部区域，每个孔的单次加工时间为10～1000μs，每个孔的加工时间总和不超过总时间的50％。
[0023]
在加工过程中，同步对所有的微孔进行加工，通过重复对微孔进行加工以减少等离子体对与加工的影响，一次性完成孔阵的加工，进一步提高了打孔质量和效率。
[0024]
较佳地，在步骤s3中，完成每一层加工后，均设置停光等待时间；随着打孔的深度加深，逐步增加每次的停光等待时间。
[0025]
停光等待时间适用于群孔孔阵较少的情况，可以设置停光等待时间，如果群孔孔阵较多的情况下，无需设置停光等待时间，根据具体的打孔需求对停光等待时间进行设定。
[0026]
较佳地，在步骤s3中，在加工每一层时，将每个异形孔的轮廓范围进行分区处理，对激光填充的路径进行规划，使得振镜控制光束移动到同一个异形孔的相邻区域时，振镜的摆动角度较小；通过控制激光在相邻异形孔的分块区域进行扫描时，激光在材料上的开关光位置是最近相接的，减少激光束的空程时间，提高加工效率。
[0027]
通过振镜组的四个振镜来对平面进行控制，每两个振镜控制一个方向，将平面分解为x方向和y方向，在孔的轮廓上的每一个点的位置都被分解为两个方向上的激光加工位置，同时激光束在照射到每一个点上时四个振镜的偏转角度都会不一样，四个振镜由一个控制卡进行调控，并通过专门的软件进行控制，四个振镜的偏转是相互独立的，整体控制的软件根据孔的位置和轮廓来对振镜的偏转角度进行调整。
[0028]
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0029]
1)本发明提供的四振镜群孔加工方法，相较于现有的打孔设备只能单孔逐个加工，本发明可以在工件上加工群孔孔阵，提高打孔的效率；
[0030]
2)本发明提供的四振镜群孔加工方法，通过四个振镜的角度变化来调节孔的位置、大小和锥度变化，简化了调节的难度，同时可以调节偏移的位置来调节打孔的形状，进而打出异形孔；
[0031]
3)本发明提供的四振镜群孔加工方法，四个振镜由同一块控制卡进行控制，可减少外部因素对于振镜的影响，使得四个振镜在打孔过程中协同运动，改善打孔的质量；
[0032]
4)本发明提供的四振镜群孔加工方法，在加工孔阵时，通过对单个孔进行分区处理，减少等离子体对打孔过程的影响，同时对光束的轨迹进行优化，使得激光在相邻异形孔的分块区域进行扫描时，激光在材料上的开关光位置是最近相接的，减少激光束的空程时间，可以减少激光束的闲置时间，提高打孔的效率；
[0033]
5)本发明提供的四振镜群孔加工方法，在群孔加工时的单孔对称加工，给加工倒锥留下更多的调整余地，对于大倒锥孔的加工更为有利。
[0034]
6)本发明提供的四振镜群孔加工方法，在加工群孔孔阵时，激光束先对上层工件进行镂空，同时随着表面的镂空，将焦点的位置逐渐下移，使得工件被镂空的位置逐渐下降，最终完成打孔，此过程可以降低激光能量对下层材料照射时的损耗，优化了打孔的流程，提高打孔的效率。
附图说明
[0035]
图1为本发明四振镜群孔加工方法的结构示意图；
[0036]
图2为本发明四振镜群孔加工方法实施例一加工的孔阵示意图；
[0037]
图3为本发明四振镜群孔加工方法激光束在实施例一中镂空图2表面时的运动轨迹；
[0038]
图4为本发明四振镜群孔加工方法实施例二加工的形状各异的孔阵示意图；
[0039]
图5为本发明四振镜群孔加工方法激光束在实施例二中镂空图4表面时的运动轨迹；
[0040]
图6为本发明四振镜群孔加工方法光束在加工时不同锥度的示意图，其中，1为倒锥示意图，2为零锥示意图，3为正锥示意图。
[0041]1‑
x1振镜；2
‑
y1振镜；3
‑
x2振镜；4
‑
y2振镜；5
‑
聚焦镜；6
‑
加工平台。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。附图中，为清晰可见，可能放大了某部分的尺寸及相对尺寸。
[0043]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0045]
如说明书附图1所示，本发明提供了一种四振镜群孔加工方法，步骤如下：
[0046]
s1：将振镜组、聚焦镜5和加工平台6沿光路依次设置，所述振镜组包括联动控制的x1振镜1、y1振镜2、x2振镜3和y2振镜4，所述聚焦镜5和所述加工平台6之间的间距可通过调节机构进行调节；
[0047]
s2：在打孔软件中导入群孔所包含的特征，通过软件内置的计算振镜偏转角度的公式将在打孔过程中每个振镜的运动进行计算，再对振镜组进行调控；x1振镜1偏转实现光束在聚焦镜x方向的偏移，x2振镜3补偿x1振镜1的偏转角度后实现光束在x方向的偏移，y1振镜2偏转实现光束在聚焦镜5y方向的偏移，y2振镜4补偿y1振镜2的偏转角度后实现光束在y方向的角度偏移，通过控制振镜的偏转角度来控制小孔所在的具体位置及打孔的锥度和大小，满足孔径、锥度可调的异形群孔微小孔阵加工需求；
[0048]
s3：依次加工每个孔的同一层的区域，等到每一层加工完后，调节升降机构，使得光束焦点向孔的下一层移动，进行下一层的加工，重复上述步骤直至完成群孔加工。
[0049]
进一步地，在加工过程中，四个振镜由一块控制卡进行控制，减少外部因素的干扰，通过调节四个振镜的角度对光束焦点的位置进行控制，同时控制微孔的锥度；振镜组分别控制光束在x方向和y方向偏转，控制光束在工件表面进行运动，先对孔阵的同一层进行加工，通过调节机构调节聚焦镜与加工平台之间的间距，可以调节焦点在工件上的位置，对孔的下一层进行加工，直至完成孔阵的加工。
[0050]
调节光束偏转距离的x1振镜、y1振镜使得光束以一个大角度的反射，通过在光路上的传递完成偏移，x1振镜、y1振镜通过控制光束偏移的角度对打孔时的位置和锥度进行调节；x2振镜、y2振镜的作用首先是补偿光束之前自身所携带的角度同时使得光束以一个微小的角度反射，最后通过聚焦镜的聚焦来提高光束角度的偏转，通过x2振镜、y2振镜控制光束的偏转角度来调节微孔的孔径。
[0051]
说明书附图2为孔的位置坐标(l1，l2)，根据孔的特征，由软件内置的计算振镜偏转角度的公式将打孔过程中每个振镜的运动轨迹进行计算，并通过控制卡对四个振镜进行控制，完成孔阵打孔；通过双振镜系统加工孔阵时，让光束在微孔轮廓内按照说明书附图3的轨迹来回运动，图3中按照1
‑2‑3‑4‑5‑6‑7‑
8的顺序进行加工，将轮廓内部的材料进行镂空，减少了激光的闲置时间，同时提高打孔质量和效率；若是光束直接对微孔轮廓进行熔蚀，光束的能量在工件内部的传递会随着熔蚀深度的增加而急剧下降，打孔效率也会下降，并且工件内部的熔蚀区域也变得狭小，进而导致工件内部的熔渣无法排出；激光束在微孔轮廓内部来回运动，使得激光束对于内部材料作用面积的加大，能够有助于打孔效率的提高。
[0052]
在加工过程中，依次加工每个孔的同一层的部分或全部区域，每个孔的单次加工时间为10
‑
1000μs，每个孔的激光作用不超过总时间的50％，如果群孔数量少，可以设置停光等待时间，等到每一层加工完，调节z轴升降机构到下一层的孔加工位置，再重复前面的步骤，随着的孔的加深，逐步增加每次的停光等待时间。
[0053]
具体的操作过程为，振镜组控制激光束按照孔的位置，在工件的表面上作用10
‑
1000μs后通过振镜控制移动到下一个孔的位置，将孔阵的同一层进行加工完成后，移动到下一层进行加工，重复上述过程，直至整个孔阵完成打孔，通过此方法可以减少因激光长时间作用工件产生的等离子体对打孔效率的影响。
[0054]
为了进一步说明本发明所提供的四振镜群孔加工方法的工作原理，下面进行具体阐述：
[0055]
实施例1
[0056]
光源为飞秒紫外激光器，也可以是其他的激光器，按照图1的结构设置好四个振镜以及聚焦镜和加工平台，四个振镜有一块控制卡进行控制，图1中是聚焦镜可以进行升降，实际使用时也可以是加工平台进行升降；通过调节x1振镜、y1振镜的角度能够调节激光打孔的位置和锥度，使得激光束短时间多次作用群孔，x2振镜、y2振镜控制激光束打在孔轮廓内的位置，即控制打孔孔径，以完成打孔；
[0057]
通过图1的装置加工一个4孔无锥度的矩形群孔孔阵，如图2所示，在专门的打孔软件中输入群孔孔阵设计细节，导入群孔所包含的特征，软件识别图案的形状特征，包括各个孔所在的位置、间隔、孔径等关系，通过软件内置的计算振镜偏转角度的公式将在打孔过程中每个振镜每个时间段所需要作出的运动轨迹进行计算，再导入控制卡中，由控制卡完成对四个振镜的调控；说明书附图6中的激光束偏移和偏转由四个振镜完成，x1振镜、y1振镜负责激光束位置的偏移，激光束在反射时，通过计算确定孔的位置和锥度，以大角度将激光束发射出，经过在光路上的传播，激光束完成偏移；x2振镜、y2振镜控制激光束的偏转角度，通过聚焦镜将光束所带的微小角度展示出来，控制激光束打在孔轮廓内的位置，控制孔径，完成打孔；
[0058]
具体的，激光束直接以孔轮廓进行熔蚀切割，由于激光能量无法完全穿过中间材料，因此对与内部的材料，激光的能量需要耗费更多的时间才能打穿；本群孔加工方法通过对振镜控制激光束在工件表面以图3的轨迹来回运动，按照从1到8的分区顺序对材料表层进行加工，将加工的区域进行分区可以减少等离子体对于加工过程的影响，同时通过对路径的优化提高加工的效率；将孔轨迹内部的材料全部进行熔蚀，使得更多激光束的能量能够传递；在加工过程中，随着激光束对工件表层完成熔蚀的过程中产生等离子体，因此在激光束完成表层的材料加工后移动至孔阵的下一个孔进行加工，以减少等离子体对加工过程的影响，完成孔阵的同一层的加工后，通过调节z轴升降装置下降焦点的位置至下一层进行加工，循环此过程直至完成整个群孔孔阵的加工。
[0059]
实施例2
[0060]
通过图1的装置加工一个4孔的形状各异的无锥度的异形群孔孔阵，如图4所示，在专门的打孔软件中输入群孔孔阵设计细节，导入群孔所包含的特征，软件识别图案的形状特征，包括各个孔所在的位置、间隔、孔径等关系，通过软件内置的计算振镜偏转角度的公式将在打孔过程中每个振镜每个时间段所需要作出的运动轨迹进行计算，再导入控制卡中，由控制卡完成对四个振镜的调控；
[0061]
按照对称加工的原则按照异形孔的轮廓特征进行加工，然后再按照图5对异形孔的轮廓内部进行扫描；通过对异形孔的对称加工使得其在加工不规则轮廓部分可以有更大的调整余地，对于加工大锥度的异形孔有优势；在对表层进行扫描后，通过z轴升降装置下降焦点的位置至下一层，再次重复进行加工，循环上述过程直至完成整个异形孔阵的加工。
[0062]
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神和范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。