一種發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔裝置的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔裝置
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2014年03月19日，申請(qǐng)?zhí)枮?01410116060.X，名稱(chēng)為“一種發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔方法及裝置”的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔方法及
目.ο
【背景技術(shù)】
[0003]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(lèi)。化學(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。
[0004]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(mǎn)足某些工藝要求。例如，在高熔點(diǎn)金屬鉬板上加工微米量級(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(lèi)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)。
[0005]激光打孔是利用脈沖激光16?10 9W/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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。
[0006]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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔裝置。
[0008]本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種發(fā)泡輔助的金屬片激光精密打孔方法，包括如下步驟:
[0010](I)將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；在所述金屬片工件與加工基板之間涂覆一層厚度為0.0lmm?1_、發(fā)泡溫度在150攝氏度以上的高溫發(fā)泡劑；
[0011]在金屬片工件的上表面罩設(shè)一密封抽吸罩，所述密封抽吸罩固定安裝在激光加工頭的下方；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；
[0012](2)在密封抽吸罩上安裝抽吸管，通過(guò)抽吸管向外抽氣，使密封抽吸罩內(nèi)始終保持在負(fù)壓狀態(tài)；
[0013](3)激光器輸出激光打孔脈沖，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后，照射在金屬片工件的上表面，金屬片表面材料開(kāi)始產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)和飛濺；當(dāng)金屬片工件底部的溫度達(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，直至沖破金屬片工件，同時(shí)上沖的氣泡攜帶熔渣和煙塵經(jīng)抽吸管抽出；
[0014](4)保持激光束繼續(xù)照射Ims?500ms，用于修整孔的上部入口處和孔壁存在的掛渣，之后結(jié)束激光打孔脈沖；
[0015](5)將激光束聚焦位置移到下一個(gè)需要打孔的位置，重復(fù)步驟(3)?(4)，直至完成所有孔的加工；
[0016](6)待全部孔加工完畢后，取下工件，清洗去除金屬片工件下表面殘留的高溫發(fā)泡劑。
[0017]進(jìn)一步的，步驟(I)中，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；步驟(3)中通過(guò)施加壓力壓緊所述橡膠密封墊圈可以實(shí)現(xiàn)激光光束打孔時(shí)離焦量的調(diào)節(jié)。
[0018]本發(fā)明還同時(shí)提供了一種發(fā)泡輔助的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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]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。
[0022]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0023](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。本發(fā)明利用了發(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。
[0024](2)采用本發(fā)明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。
[0025](3)本發(fā)明中由于發(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)方法更低的激光能量。
[0026](4)本發(fā)明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。
[0027](5)本發(fā)明所述的裝置部分結(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。
[0028](6)本發(fā)明所述的裝置，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