[发明专利]一种激光打孔装置及其二步打孔方法

说明书

本发明涉及激光应用装置，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Nd：YAG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Nd：YAG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Nd：YAG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。

本发明的目的在于，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及其打孔方法。

本发明的激光打孔装置，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。

使用上述激光打孔装置进行打孔的方法，包括将上述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，其特征在于，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。