本發(fā)明涉及加工制造領(lǐng)域，尤其涉及一種高效率多波長(zhǎng)激光打孔方法。
背景技術(shù)：
：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領(lǐng)域之一。早在20世紀(jì)60年代就用激光在鉆石上打孔，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光打孔能力的不斷提高，成為改造傳統(tǒng)加工的一種有效手段。隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的的不斷提高，成為改造傳統(tǒng)加工的一種有效手段。隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，是用硬度大、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(mǎn)足某些工具要求。激光束在空間和時(shí)間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級(jí)從而獲得105~1015w/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可對(duì)任何材料實(shí)行激光打孔。與其它方法如機(jī)械錨孔、電火花加工等常規(guī)打孔手段相比，激光打孔具有很大的優(yōu)勢(shì)：1.激光打孔速度快，效率高，經(jīng)濟(jì)效益好。由于激光打孔是利用功率密度為每平方厘米107～108w的高能激光束對(duì)材料進(jìn)行瞬間作用，作用時(shí)間只有10-5～10-3秒，因此激光打孔速度非?？臁⒏咝芗す馄髋c高精度的機(jī)床及控制系統(tǒng)配合，通過(guò)微處理機(jī)進(jìn)行程序控制，可以實(shí)現(xiàn)高效率打孔。在不同工件上激光打孔與電火花打孔及機(jī)械鉆孔相比，效率提高10～1000倍。另外，激光打孔過(guò)程與工件不接觸，省去了一般機(jī)械加工方法所造成的鉆頭斷裂、磨損、更換刀具等工序的麻煩。2.激光打孔可獲得大的深徑比。一般情況下，機(jī)械鉆孔和電火花打孔所獲得的深徑比值不超過(guò)10。使用增設(shè)腔內(nèi)光欄，增加q開(kāi)關(guān)或調(diào)整導(dǎo)光系統(tǒng)參數(shù)的方法，來(lái)改變打孔光束質(zhì)量時(shí)，很容易獲得高質(zhì)量、大深徑比的小孔。例如：在碳鋼上，通過(guò)對(duì)導(dǎo)光系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可加工出深度16.2mm，孔徑0.25mm的小孔，其深徑比可達(dá)65：1。3.激光打孔可在硬、脆、軟等各類(lèi)材料上進(jìn)行。高能量激光束打孔不受材料的硬度、鋼性、強(qiáng)度和脆性等機(jī)械性能限制，它既適于金屬材料，也可用于一般難以加工的非金屬材料，如紅寶石、藍(lán)寶石、陶瓷、人造金剛石和天然金剛石等。由于難加工材料大都具有高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)率、加工易硬化、化學(xué)親和力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在切削加工中阻力大、溫度高、工具壽命短。而用激光在這些難加工材料上打孔，以上問(wèn)題將得到解決。4.激光打孔無(wú)工具損耗。激光打孔為無(wú)接觸加工，避免了機(jī)械鉆微孔時(shí)易斷鉆頭、廢品率高的問(wèn)題。5.激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。由于激光打孔機(jī)可以和自動(dòng)控制系統(tǒng)及微機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電一體化，使得激光打孔過(guò)程準(zhǔn)確無(wú)誤地重復(fù)成千上萬(wàn)次。通過(guò)程序控制可以連續(xù)、高效地加工出小孔徑、數(shù)量大、密度高的群孔板。6.用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔。對(duì)于機(jī)械鉆孔和電火花打孔這類(lèi)接觸式打孔來(lái)說(shuō)，在傾斜面上特別是大角度傾斜面上打小孔是極為困難的。傾斜面上的小孔加工的主要問(wèn)題是鉆頭入鉆困難，鉆頭切削刃在傾斜平面上單刃切削，兩邊受力不均，產(chǎn)生打滑難以入鉆，甚至產(chǎn)生鉆頭折斷。如果為高強(qiáng)度、高硬度材料打孔幾乎是不可能的。而激光卻特別適合于加工件與工件表面成6°～90°角的小孔，即使是在難以加工材料上打斜孔也很容易激光和材料作用的物理過(guò)程是十分復(fù)雜的，其原因和材料的多樣性、激光參數(shù)的多樣化、激光打孔方式的選擇、作用條件的多樣化相關(guān)。雖然激光打孔效率高，但由于激光加工屬熱加工范疇，在加工表面殘留物在凝固時(shí)，不僅改變了冶金狀態(tài)，還余產(chǎn)生微裂紋。專(zhuān)利cn201410058041.6介紹了一種co2激光打孔方法，通過(guò)改變工件的表面狀況可得到基本一致的表面反射狀況，提高激光打孔的重復(fù)穩(wěn)定性。但對(duì)工件表面的飛濺物仍沒(méi)有較好的解決方案。專(zhuān)利cn201510751462.1中介紹，利用超短脈沖激光加工出了高質(zhì)量的微孔，這種激光加工機(jī)的脈沖寬度為飛秒數(shù)量級(jí)，能夠快速去除材料。雖然這類(lèi)激光打孔方法能獲得高質(zhì)量驚喜的打孔質(zhì)量，但是由于超短脈沖激光價(jià)格昂貴，而且平均能量比較低，不能獲得高速度的激光打孔，同樣限制了激光打孔在工業(yè)中的應(yīng)用。綜上所述，如何有效的解決打孔過(guò)程中產(chǎn)生的再鑄層以及微裂紋，激光打孔的重復(fù)穩(wěn)定性、打孔孔徑相差很大等制約激光打孔在工業(yè)應(yīng)用等問(wèn)題，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高效率多波長(zhǎng)激光打孔方法，能夠提高打孔效率、打孔質(zhì)量以及打孔精度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案。一種高效率多波長(zhǎng)激光打孔方法，多波長(zhǎng)激光打孔系統(tǒng)包括激光器、脈沖激光電源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)；激光打孔方法為利用激光器發(fā)出的一束激光，先經(jīng)過(guò)空間濾波器，接著經(jīng)過(guò)倍頻晶體，再通過(guò)反透鏡，將輸出的多脈沖激光光束在待打孔基板上進(jìn)行掃描、加熱打孔。優(yōu)選地，上述方案中，所述的激光器為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器和自由電子激光器中一種；所述的脈沖激光電源系統(tǒng)主回路包括充電電路、儲(chǔ)能電路、觸發(fā)電路及預(yù)燃電路、操作與控制電路等；所述的光學(xué)系統(tǒng)包括擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)；所述的機(jī)械系統(tǒng)主要有床身、工作臺(tái)、傳動(dòng)控制系統(tǒng)；所述的冷卻系統(tǒng)是指在孔成型過(guò)程中，對(duì)預(yù)成型孔的基板材料進(jìn)行冷卻；所述的冷卻是指向預(yù)成型孔的基板材料輸入低溫氣體或低溫液體。優(yōu)選地，上述方案中，所述的激光打孔過(guò)程包括以下步驟：（1）孔邊界形成過(guò)程，多波長(zhǎng)脈沖激光光束在待打孔基板表面進(jìn)行掃描，確定激光光束與待打孔基板之間的角度。（2）孔內(nèi)材料加熱過(guò)程，是多波長(zhǎng)脈沖激光光束與預(yù)成型孔對(duì)準(zhǔn)，對(duì)預(yù)成型孔的基板材料進(jìn)行加熱；（3）粉末排出過(guò)程，在待打孔基板側(cè)表面，向待打孔孔內(nèi)吹氣或吸氣，使切割過(guò)程產(chǎn)生的粉末排出；所述的吹氣或吸氣過(guò)程，是指通過(guò)設(shè)置多個(gè)噴嘴，圍繞待打孔切割邊界均勻分布。優(yōu)選地，上述方案中，所述的空間濾波器為四柱透鏡狹縫型空間濾波器、柱-球-柱狹縫型空間濾波器、交叉四鏡狹縫型空間濾波器、柱面鏡空間濾波器、針孔型空間濾波器中的一種；優(yōu)選四柱透鏡狹縫型空間濾波器；所述的四柱透鏡狹縫型空間濾波器入射光束口徑為300mm×300mm~450mm×450mm，透鏡焦距為1~30m，狹縫截止頻率為0.02~0.05mm-1。優(yōu)選地，上述方案中，所述的倍頻晶體包括二倍頻晶體和三倍頻晶體；所述的二倍頻晶體包括lbo晶體（三硼酸鋰(lib3o5)）、ktp晶體（磷酸氧鈦鉀(ktiopo4)）、如kdp晶體、dkdp晶體、adp晶體、dkdp(磷酸二氘鉀)晶體中的一種；所述的三倍頻晶體可以利用非線(xiàn)性晶體轉(zhuǎn)換，包括lib3o5(lbo)、bab2o4(bbo)、k2a12b2o7(kabo)、cslib6ol0(clbo)、kbe2bo3f2(kbbf)、yca4o(bo3)3(ycob)、csb3o5(cbo)中一種。優(yōu)選地，上述方案中，所述的激光器、空間濾波器、二倍頻晶體、三陪頻晶體、聚焦透鏡沿光路依次排列；所述的空間濾波器、二倍頻晶體、三陪頻晶體、聚焦透鏡的通光面鍍有介質(zhì)膜；所述的空間濾波器、二倍頻晶體、三陪頻晶體、聚焦透鏡依次按通光面膠合。優(yōu)選地，上述方案中，所述的高效率激光基波作用在二倍頻晶體上產(chǎn)生二次諧波，二次諧波射入三倍頻晶體上，采用腔內(nèi)-腔外多次反射和非線(xiàn)性聚焦光束的方法產(chǎn)生多次積累的三次諧波激光輸出，基波和三次諧波偏振光小角度折射光路形成低損耗的偏振耦合，并用多次小角度的內(nèi)全折射光路。優(yōu)選地，上述方案中，所述的冷卻系統(tǒng)是指內(nèi)道有致冷器的二次水冷循環(huán)系統(tǒng)，使水的工作溫度保持在15~40℃，致冷器的功率為2~5kw。優(yōu)選地，上述方案中，所述的激光器能量為10~100j，脈沖頻率為3~45khz，脈寬10~200ms，激光掃描速度為3~35mm/s，打孔深度為0.5~20mm。優(yōu)選地，上述方案中，所述的檢測(cè)系統(tǒng)是指當(dāng)預(yù)成型孔并冷卻后，所述的激光系統(tǒng)輸出脈沖激光光束，激光光束與預(yù)成型孔相對(duì)準(zhǔn)時(shí)，檢測(cè)判斷預(yù)成型孔中是否有光亮，若有光亮，則判斷為所述預(yù)成型孔內(nèi)尚有雜質(zhì)；若沒(méi)有光亮，則判斷為所述預(yù)成型孔內(nèi)無(wú)雜質(zhì)。本發(fā)明上述技術(shù)方案中具有以下有益效果：本發(fā)明提供了一種多波長(zhǎng)激光打孔方法，是采用激光器發(fā)出一組脈沖激光光束時(shí)，經(jīng)過(guò)空間濾波器除去雜質(zhì)和干擾波，再經(jīng)過(guò)二倍頻晶體和三倍頻晶體，得到三種不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行打孔，在加工過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)頻晶體和反透鏡的角度控制脈沖激光光束的能量，提高預(yù)成型孔的質(zhì)量和工作效率。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例光打孔裝置結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式以下通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本實(shí)施通過(guò)對(duì)不同含碳量的碳鋼進(jìn)行打孔，本實(shí)施例選擇的材料是不銹鋼、50#鋼和t8；其中不銹鋼厚度為lmm，50#鋼和t8鋼為1mm進(jìn)行孔徑分別為0.25mm和0.3mm打孔實(shí)驗(yàn)。透鏡的焦距為130mm，激光光束發(fā)散角小于1.2mrad，選擇四柱透鏡狹縫型空間濾波器所述的四柱透鏡狹縫型空間濾波器入射光束口徑為300mm×300mm，狹縫截止頻率為0.03mm-1。激光器發(fā)出一組脈沖激光光束時(shí)，經(jīng)過(guò)空間濾波器除去雜質(zhì)和干擾波，再經(jīng)過(guò)二倍頻晶體和三倍頻晶體，得到三種不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行打孔，如圖1所示。激光打孔過(guò)程包括以下步驟：（1）孔邊界形成過(guò)程，多波長(zhǎng)脈沖激光光束在待打孔基板表面進(jìn)行掃描，確定激光光束與待打孔基板之間的角度。（2）孔內(nèi)材料加熱過(guò)程，是多波長(zhǎng)脈沖激光光束與預(yù)成型孔對(duì)準(zhǔn)，對(duì)預(yù)成型孔的基板材料進(jìn)行加熱；（3）粉末排出過(guò)程，在待打孔基板側(cè)表面，向待打孔孔內(nèi)吹氣或吸氣，使切割過(guò)程產(chǎn)生的粉末排出；所述的吹氣或吸氣過(guò)程，是指通過(guò)設(shè)置多個(gè)噴嘴，圍繞待打孔切割邊界均勻分布。在脈沖寬度一定的情況下，打出給定尺寸的孔，是由所選的脈沖能量來(lái)達(dá)到的。選擇不同能量的脈沖激光打孔，變能量激光打孔數(shù)據(jù)表如表1。激光能量的不同，孔徑的大小也會(huì)有所不同。其中不銹鋼、50#鋼和t8的數(shù)據(jù)如表2、3、4所示。采用不同脈寬的激光進(jìn)行打孔，試件厚度為1mm，脈沖重復(fù)頻率為5hz，脈沖能量為79j，打孔結(jié)果如表5。表1變能量激光打孔數(shù)據(jù)表：能量（j）脈沖寬度（ms）脈沖重復(fù)頻率（hz）501805621805701805791805911805971805表2不銹鋼變能量打孔數(shù)據(jù)表（1mm厚試件）：能量（j）上孔徑（mm）下孔徑（mm）錐度（rad）500.18730.18010.00322620.19260.18140.00577700.20780.18210.00782790.21890.19320.01131910.22910.19640.01131970.23160.20010.01227表350#碳鋼變能量打孔數(shù)據(jù)表（1mm厚試件）：能量（j）上孔徑（mm）下孔徑（mm）錐度（rad）500.21270.18820.00916620.22640.19270.01181700.23720.20040.01292790.23120.20460.01323910.24060.21130.01466970.26720.22010.01520表4t80鋼變能量打孔數(shù)據(jù)表（1mm厚試件）：能量（j）上孔徑（mm）下孔徑（mm）錐度（rad）500.22710.19690.01511620.23650.20600.01521700.24920.21550.01685790.26050.22510.01778910.27720.24030.01844970.28050.24070.01991表5采用不同脈寬的激光進(jìn)行打孔表：脈沖寬度（ms）孔徑（mm）深度（mm）1000.24290.82791200.23490.72681400.22150.66781600.21460.64891800.19780.5478當(dāng)前第1頁(yè)12