[发明专利]一种观察激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种观察激光打孔硬脆性非金属材料孔剖面形状的方法，特别适用于对硬脆性非金属材料的孔剖面形状进行测量，属于测量方法领域。

背景技术

激光打孔是一种快速去除材料的过程，具有操作精确、高效率、无接触、孔径小以及热影响区小的特点，被广泛运用到精密加工过程中。但是由于激光打孔的孔径很小(一般在0.5mm以下)，在研究激光打孔过程中工艺参数对孔质量的影响时，通常采用将材料沿侧壁切割并研磨抛光，以得到孔的剖面形状。但是对于包括单晶、陶瓷、玻璃等在内的大多以共价键、离子键或两者混合的化学键而结合的非金属材料来说，由于常温下该类材料具有很大的脆性，增加了传统方法难度。主要体现在切割、研磨和抛光的时间增长以及材料本身在长时间的切割、研磨作用下产生很大应力发生脆裂。由于硬脆性非金属材料具有这种特性，使研究人员无法直观的观察到孔的剖面形状，从而无法准确的评价工艺参数的优劣，严重阻碍了非金属材料的激光加工性能的进一步发挥和推广。

对激光打孔的孔质量，国内外一般采用的评价指标如文献《Comparativestatistical analysis of hole taper and circularity in laser percussiondrilling》(International Journal of Machine Tools & Manufacture，Vol.42，2002)所示，包括：表面溅污、重凝层、熔渣，入口直径、出口直径、孔锥度等。由于激光具有一定的发散角度，对具有一定厚度的材料打孔，孔剖面形状变的复杂，孔锥度不再可以准确的描述出孔特性，此时通常利用孔剖面形状对打孔质量进行评价。又如在文献《Modeling and analysis of pulsedNd:YAG laser machining characteristics during micro-drilling ofzirconia》(International Journal of Machine Toole & Manufacture，Vol.46，2006)中作者将氧化锆陶瓷对Nd:YAG激光的吸收表征为孔锥度及热影响区的变化，但是由于氧化锆陶瓷的硬脆性，其观察实验仅限于观察打孔材料的上下表面，而对孔剖面形状并没有提及。如果可以观察的孔的剖面形状，则可以更好的研究激光加工过程中材料对激光的吸收特性及优化现有的工艺参数。

现有的对激光打孔的孔剖面形状分析的最有效方法是采用激光共聚焦显微镜，通过激光共聚焦显微镜可以在不损伤材料情况下描绘出孔剖面形状。但是由于激光共聚焦显微镜存在测量范围的限制，对于深度大于5mm的小孔剖面形状已经无法绘制，而且激光打孔会在一定的工艺条件下出现倒喇叭的剖面形状，根据激光共聚焦扫描显微镜的原理，此时的剖面形状将无法描绘。此外激光共聚焦扫描显微镜价格昂贵，不利于研究和应用的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单可靠、无需切割或磨抛工艺、快速的确定激光打孔硬脆性非金属材料的孔剖面形状的方法。该方法可以应用于各种硬脆性非金属，工艺重复性高，对各种厚度的材料进行激光打孔的孔剖面形状均可以准确描绘，避免了磨抛过程中材料发生断裂。

为达到所述目的，本发明通过以下技术方案实现：

1)用多个薄片重叠并压紧成所要观察材料的厚度，再用激光进行打孔。薄片材料的厚度依要求精度而定。材料越薄，重叠层数越多，可测量的不同深度位置的孔径数据越多，曲线拟合的精度就越高；材料越厚，重叠的层数越少，可测量的不同深度位置的孔径数据越少，曲线的拟合精度就越低；

2)将重叠的薄片展开，通过普通可测量型显微镜分别测量每个薄片上下表面的孔径。在测量孔径过程中，还要记录各个孔径在重叠时的深度位置，以完成下步的曲线拟合；

3)根据所测得的各薄片上孔径数据及各孔径所在的深度位置采用函数进行曲线拟合，得到激光打孔所要观察材料厚度的孔剖面形状。

采用本发明中的方法避免对硬脆性材料的研磨抛光，简单快速的完成对激光打孔的孔剖面形状的确定，而且所得到的孔剖面形状与一整块相同厚度相同材料的样品进行相同打孔工艺打孔的孔剖面形状一致。

与现有技术相比，本发明具的有益效果是：

1)不受材料厚度的影响，本发明可以针对任何厚度的激光打孔的孔剖面形状观察，不会由于材料的不同或厚度的增加而无法进行测量。在测量过程中采用普通的可测量型显微镜就可以实现测量。

2)测量时间短，相对于传统研磨抛光工艺，本发明确定孔剖面形状的时间要远小于采用磨抛工艺。