[发明专利]一种低侧壁锥角盲槽的激光加工方法

说明书

本发明一种低侧壁锥角盲槽的激光加工方法属于激光加工技术领域，涉及一种低侧壁锥角盲槽的激光加工方法。该方法先计算刻蚀所需深度的激光加工参数组合并进行盲槽的初步刻蚀，根据设定槽底理想残余高度与预测截面烧蚀轮廓，将当前激光扫描轨迹以微小行距进行偏置得到偏置曲线，作为后续盲槽侧壁再加工的激光扫描轨迹。再由激光光斑能量分布与加工材料的烧蚀阈值，计算激光沿偏置曲线进行扫描的单脉冲能量密度。最后，基于预测截面烧蚀轮廓以烧蚀深度为约束计算沿偏置曲线进行刻蚀的再加工次数。当偏置曲线间距或总扫描次数达到设定极限值时完成盲槽的激光加工。该方法在保证加工深度和盲槽宽度精度的同时减小盲槽侧壁锥角，提高了激光加工质量。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种低侧壁锥角盲槽的激光加工方法。

背景技术

激光加工因具有精度高、无工具磨损和无接触力等优点，被广泛应用于飞行器天线和电子线路板等零件的表层金属图案加工。在利用激光进行图案刻蚀时，不仅需严格控制刻蚀深度，以避免损伤零件的聚合物基底而降低零件机械性能，同时还要保证图案的加工精度以保证零件的电气性能。由于激光光斑能量呈高斯分布的特性，光斑中心能量最高并向四周递减，故材料去除率呈现中心高四周低的规律，使刻蚀图案的边缘具有较大的侧壁锥角，这种斜坡状的边缘严重影响了图案加工质量。以飞行器天线为例，大侧壁锥角一方面会降低天线带线的尺寸精度进而影响天线电气性能，另一方面易使相近的天线带线在盲槽底部粘连发生短路而导致天线失效。解决上述问题的关键是实现低侧壁锥角盲槽的制造，因此如何利用激光刻蚀出低侧壁锥角盲槽是激光加工领域的一大难点和迫切需要。

段军等人专利公开号CN101610643A的“一种激光加工盲孔的方法”采用激光定点打孔结合同心圆扫描的方式多次去除材料，最终加工出侧壁较为垂直的一阶和多阶盲孔。然而该专利未说明对于不同刻蚀深度应如何调整激光单脉冲能量密度等参数，且激光打孔的加工方式较难应用于盲槽的刻蚀，因此具有较大局限性。Martin P E等人发表在《Journal of Laser Applications》2017年第29卷第2期文献号022211的《Laser cuttingand drilling with zero conicity》一文中，提出一种激光旋进的加工方式，即激光束相对于零件表面做类似于陀螺仪边旋转边移动的运动，可加工出侧壁较为垂直的盲槽和切割边缘。但该方法所需的工艺装备较复杂，且论文并未涉及盲槽刻蚀深度的控制方法，当改变加工材料或加工深度要求时缺少参数规划理论依据，故存在局限性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和局限性，通过对激光与材料相互作用过程进行分析和计算，发明了一种低侧壁锥角盲槽的激光加工方法，使得加工无需光束整形器件等附加复杂工艺系统，在保证加工深度和盲槽宽度精度的同时减小盲槽侧壁锥角，提高激光加工质量。

本发明的技术方案是一种低侧壁锥角盲槽的激光加工方法，其特征在于，该方法首先建立包含材料参数和加工参数的激光加工截面烧蚀轮廓预测模型，以确定刻蚀特定深度盲槽所需的激光加工参数组合，并取其中一组参数进行盲槽的初步刻蚀。其次，设定槽底理想残余高度，结合预测截面烧蚀轮廓计算当前激光扫描轨迹的偏置距离，对当前激光扫描轨迹进行等距偏置得到偏置曲线，作为后续侧壁再加工的激光扫描轨迹。然后，根据激光光斑内的能量分布与材料的烧蚀阈值约束，计算沿偏置曲线进行刻蚀所需的激光单脉冲能量密度，以避免金属表面的盲槽边缘过烧。最后，基于预测截面烧蚀轮廓以预设烧蚀深度为约束，计算沿偏置曲线进行刻蚀时盲槽截面槽底局部最大烧蚀深度，达到预设烧蚀深度所需的再加工次数。以最小偏置曲线间距和最大总扫描次数，作为盲槽侧壁再加工的终止条件。方法的具体步骤如下：

步骤1，计算初步刻蚀盲槽的激光加工参数组合

激光通过热效应去除材料存在一个烧蚀阈值，是指激光对材料产生不可逆的破坏所需的最小能量密度。对于特定的激光和材料，烧蚀阈值F_th为：