[发明专利]一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法

说明书

本发明公开了一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法，属于特种加工技术中的微细加工领域；本发明利用高压氮气将化学腐蚀液制成化学腐蚀冰层，且与工件上表面紧密贴合，加工过程中不会有空气进入孔内，能够保证冰层融化后的液面上升高度。通孔完成后，腐蚀液进入孔内，可以清除激光产生的熔渣，改善孔内壁的表面质量。激光照射部分的化学腐蚀冰层会随着加工过程的进行逐渐溶解，当化学腐蚀冰层溶解后腐蚀液顺着孔的内壁流下，液面会产生一定的波纹状且两边高度高于中间，保证激光的反射和折射范围，且随着液面的上升，激光反射和折射的作用效果逐渐的减弱，从而改善整个内孔壁的质量和锥度。

技术领域

本发明涉及特种加工技术中的微细加工领域，特指一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是一种具有广泛应用的加工技术，其原理是利用激光瞬间产生的高热量实现对材料的去除加工。目前该技术广泛的用于金属材料、陶瓷材料等材料的加工，可以在汽车、航天航空、微细电子等领域进行应用。

孔的锥度是衡量加工孔质量的一个重要指标，锥度越小，孔的质量越好。而利用激光打孔时，由于激光能量分布的不均匀性，较大锥度的孔难以避免。

目前关于激光打孔技术，国内外许多学者已经进行了研究。中国专利“一种改善孔锥度和孔壁质量的激光打孔装置及方法”，专利号CN205852072U提出利用激光发生器在工件上加工出带有锥度的通孔后，其激光束穿过通孔后落到反射装置的反射平面上，经反射平面反射后落到通孔的孔周和内壁，通过调节运动装置，从而改善整个内孔的孔壁质量和锥度。该装置复杂且操作困难，反射装置的反射表面结构要求极高，工作效率较低，且不适用于加工深径比大的孔。中国专利“一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法”，公开号CN107486640A提出：通过可旋转夹具将工件在第一次激光打孔后绕孔的x方向旋转180°，使得工件刚好浸在水中且不改变小孔的x、y的坐标，再利用激光诱导空化技术进行第二次激光打孔的过程，从而来改善锥度。该方法对工作台的要求精度极高，必须保证工件的翻转精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置及方法。利用高压氮气制冷系统制得的化学腐蚀冰层与工件上表面紧密贴合，在加工过程中不会有空气进入孔内，能够保证冰层融化后的液面上升高度，激光就可以直接照射在加工表面，而采用水溶液的时候，激光照射会使水高温气化产生气泡，影响激光能量的传输，从而影响加工的质量。当通孔完成后，化学腐蚀冰层溶解后的腐蚀液顺着孔的内壁流下，液面会产生一定的波纹状且两边高度高于中间，能够保证激光的反射和折射范围，随着液面的上升反射折射的能量逐渐的减弱，只需要控制加工参数，能够保证自下到上的改善锥度以及化学溶液处理孔内壁的效果更好，同时未溶解的冰层可以循环利用。利用化学腐蚀冰层将激光作用和化学作用结合起来，还能降低热影响区。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种利用化学腐蚀冰层辅助激光加工低锥度微孔的装置，包括工件加工系统、制冷系统和控制系统；所述工件加工系统包括激光器、反射镜、聚焦透镜和X-Y-Z工作台；所述反射镜将激光器发出的激光束反射，反射后的激光束经聚焦透镜的聚焦后辐照在待加工工件上；工作腔设置在X-Y-Z工作台上；待加工工件由夹具定位，待加工工件设置在工作腔内，工作腔内有化学腐蚀溶液，激光加工前，制冷系统将化学腐蚀液变成化学腐蚀冰层；所述控制系统用于控制激光器和X-Y-Z工作台的工作。

进一步的，所述控制系统包括计算机和控制柜；所述计算机通过连接端口分别与控制柜和激光器相连接；所述控制柜通过连接端口与X-Y-Z工作台相连接。

进一步的，所述制冷系统为高压氮气制冷系统，高压氮气制冷系统将氮气通过管道通入工作腔，从而使得工作腔内的化学腐蚀液变成化学腐蚀冰层。

进一步的，待加工工件厚度小于3mm。

进一步的，化学腐蚀冰层高出待加工工件的高度略大于待加工工件厚度。