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CN106425125A - 一种复合纳秒‑皮秒‑飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法 - Google Patents

一种复合纳秒‑皮秒‑飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合纳秒‑皮秒‑飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，包括以下步骤：S10、提供多脉宽光纤激光器，包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，采用纳秒激光器对固定于工作台上的陶瓷工件进行粗加工，同时在加工位置附近喷射辅助气体；S20、采用皮秒激光器或飞秒激光器对粗加工后的陶瓷工件进行精加工，同时在加工位置附近喷射辅助气体；S30、预设精加工余量T，采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，当t>T时，重复步骤S10；当0＜t≤T时，重复步骤S20；如此循环，直至t＝0。本发明通过在加工位置附近喷射辅助气体，经纳秒激光粗加工后再采用皮秒或者飞秒激光进行精加工，提高了陶瓷工件的加工精度以及加工效率。

Description

一种复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法
技术领域
本发明涉及陶瓷加工，具体涉及一种复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法。
背景技术
陶瓷属于典型的硬脆难加工材料，其微孔加工更是当今加工行业的一大难题。陶瓷孔加工方法主要包括以下三种：(一)传统机械钻孔的方法，不仅陶瓷孔径受限，而且易在陶瓷材料的加工表面及孔壁产生裂纹，使工件报废；(二)电火花加工方法，由于陶瓷材料通常不导电，因此需对陶瓷进行改性，而且电火花加工速度慢，电极寿命短，加工微孔的效率低、成本高；(三)激光加工方法，激光因具有高能量密度且易于导向聚焦，通过热量散射的方式可在瞬间使材料熔化蒸发，实现与工件的无接触加工，避免了工具磨损等问题，已在陶瓷钻孔加工领域彰显优势。目前，用于陶瓷孔加工的激光的脉冲宽度主要有三种：纳秒、皮秒和飞秒；其中，工业上普遍采用的是纳秒激光，其加工效率较高，但加工材料时热影响区明显，孔表面及孔壁易出现重铸层、热裂纹等现象，严重影响加工精度与质量；而皮秒和飞秒激光的加工效率不如纳秒激光，但其冷加工的特点适合对加工后的工件进行精加工且可控制甚至消除重铸层、热裂纹。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，具有高加工效率和高加工精度。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S10、提供多脉宽光纤激光器，所述的多脉宽光纤激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，采用所述纳秒激光器对固定于工作台上的陶瓷工件进行粗加工，同时在加工位置附近喷射辅助气体；
采用多脉宽光纤激光器的纳秒激光器对陶瓷工件进行粗加工，具有加工效率高的优点；而在粗加工的同时在加工位置附近喷射辅助气体，可以降低陶瓷工件加工位置的温度，以达到冷却效果，同时吹走加工位置附近的熔渣，减少因热辐射导致的孔表面及孔壁出现重铸层、热裂纹等现象，提高了加工精度和加工质量。
S20、采用所述皮秒激光器或所述飞秒激光器对经纳秒激光粗加工后的陶瓷进行精加工，同时在加工位置附近喷射辅助气体；
采用纳秒激光器对陶瓷工件进行粗加工后，采用皮秒激光器或飞秒激光器可以进一步提高加工精度。
S30、预设精加工余量T，采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，当t>T时，重复步骤S10；当0＜t≤T时，重复步骤S20；如此循环，直至t＝0；
本发明中，根据陶瓷工件的加工精度要求和尺寸精密测量仪预设精加工余量T，粗加工时采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，根据t、T值的对比选择继续进行粗加工还是精加工。当粗加工一段时间后，采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，当t>T时，重复步骤S10；粗加工一段时间后继续采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，当0＜t≤T时，重复步骤S20，如此循环，直至t＝0。每一段粗加工的时间根据陶瓷工件的实际钻孔大小而定。
于本发明中，工作台为位置可调的三维精密运动平台。
本发明通过采用上述复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法对陶瓷工件进行加工钻孔，加工精度高的同时具有高加工效率。
于本发明中，辅助气体选自空气、氧气、氮气或氩气中的任意一种。其中，辅助气体通过辅助气体喷嘴喷出，可根据实际粗加工情况对辅助气体的压力及喷射角度进行调节，以获得良好的加工效果。
作为本发明复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法的另一方案，本方案在上述实施例的基础上进行了改进，即在步骤S10之前增设了以下步骤：
S10＇＇、将待加工的陶瓷工件的表面进行研磨抛光处理，然后置于有机溶剂中进行超声清洗；
本方案中对上述待加工的陶瓷工件的表面进行研磨抛光处理，然后将其置于超声溶剂中进行超声清洗，可以去除陶瓷工件表面的杂质及污染物。
S10＇、将超声清洗后的陶瓷工件固定于工作台上，采用工作台调节所述陶瓷工件的位置以找准钻孔区域，然后利用所述多脉宽光纤激光器对所述钻孔区域进行聚焦以确定加工位置。
作为本发明复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷工件钻孔方法的又一方案，在本方案的激光钻孔方法中，步骤S30之后还包括步骤S40：
关闭所述的多脉宽光纤激光器，将陶瓷工件置于有机溶剂中进行超声清洗。
其中，所述有机溶剂选自乙醇或丙酮，可以去除激光加工表面及钻孔内壁区域的熔渣等。
其中，所述超声清洗的时间为15～30min。
具体地，所述粗加工的路径为由内至外或者由外至内的螺旋线。
或者，所述粗加工的路径为若干由内至外或者由外至内的第一同心圆。
具体地，所述精加工的路径为直径大于所述第一同心圆且与所述第一同心圆的圆心重叠的第二同心圆。
所述纳秒激光器、所述皮秒激光器和所述飞秒激光器均与激光控制器电连接，通过所述激光控制器在所述纳秒激光器、所述皮秒激光器和所述飞秒激光器三者之间进行切换。
本发明的有益效果为：本发明根据陶瓷工件的加工精度要求和尺寸精密测量仪预设精加工余量T，粗加工时采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，根据t、T值的对比选择继续进行粗加工或精加工，直至剩余加工余量t＝0。采用纳秒激光进行粗加工的过程中在加工位置附近喷射辅助气体以冷却陶瓷工件和去除加工位置区域的熔渣，经纳秒激光粗加工后再采用皮秒或者飞秒激光进行精加工，与现有技术相比，提高了加工精度以及加工效率。
附图说明
图1为本发明的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法的示意图。
图2为本发明实施例的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔系统示意图。
图3为本发明实施例的陶瓷工件的加工区域的示意图。
图4为本发明实施例的陶瓷工件的一种加工路径示意图。
图5为本发明实施例的陶瓷工件的另一种加工路径示意图。
图2～5中：
100、工作台；200、陶瓷工件；300、多脉宽光纤激光器；310、纳秒激光器；320、皮秒激光器；330、飞秒激光器；400、辅助气体喷嘴；
10、粗加工区；20、精加工区；
1、螺旋线；1＇、第一同心圆；2、第二同心圆。
具体实施方式
下面结合附图1-5并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
采用如图2所示的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔系统对本实施例的陶瓷工件进行加工钻孔，钻孔方法如下：
将待加工的陶瓷工件200研磨抛光，并置于酒精中超声清洗15min。取出后固定于工作台100上，通过调节工作台100及多脉宽光纤激光器300聚焦以完成对焦并确定加工位置，如图3所示，确定粗加工区10和精加工区20。根据陶瓷工件200的加工精度要求，先采用纳秒激光器310进行粗加工，加工路径为螺旋线1，根据尺寸精密测量仪的数据预留精加工余量T，同时在加工位置附近通过辅助气体喷嘴400通以氩气冷却并吹走熔渣。尺寸精密测量仪检测到剩余加工余量0＜t≤T，通过激光控制器将纳秒激光切换为皮秒激光，同时移动陶瓷工件200至皮秒激光器320下方对孔进行精加工，加工路径为第二同心圆2，方向为逆时针(如图4所示)。检测到t＝0时，通过激光控制器关闭多脉宽光纤激光器300。将加工后的陶瓷工件200取下再次置于酒精中超声清洗15min，得到成品。
实施例2
采用如图2所示的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔系统对本实施例的陶瓷工件进行加工钻孔，钻孔方法如下：
将待加工的陶瓷工件200研磨抛光，并置于丙酮中超声清洗30min。取出后固定于工作台100上，通过调节工作台100及多脉宽光纤激光器300聚焦以完成对焦并确定加工位置，如图3所示，确定粗加工区10和精加工区20。根据陶瓷工件200的加工精度要求，先采用纳秒激光器310进行粗加工，加工路径为若干由外至内的第一同心圆1＇，根据尺寸精密测量仪的数据预留精加工余量T，同时在加工位置附近通过辅助气体喷嘴400通以氮气冷却并吹走熔渣。尺寸精密测量仪检测到剩余加工余量0＜t≤T时，通过激光控制器将纳秒激光切换为皮秒激光，同时移动陶瓷工件200至皮秒激光器320下方对孔进行精加工，加工路径为第二同心圆2，方向为逆时针(如图5所示)。检查到t＝0时，通过激光控制器关闭多脉宽光纤激光器300。将加工后的陶瓷工件200取下再次置于丙酮中超声清洗25min，得到成品。
实施例3
采用如图2所示的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔系统对本实施例的陶瓷工件进行加工钻孔，钻孔方法如下：
将待加工的陶瓷工件200研磨抛光，并置于丙酮中超声清洗30min。取出后固定于工作台100上，通过调节工作台100及多脉宽光纤激光器300聚焦以完成对焦并确定加工位置，如图3所示，确定粗加工区10和精加工区20。根据陶瓷工件200的加工精度要求，先采用纳秒激光器310进行粗加工，加工路径为若干由外至内的第一同心圆1＇，根据尺寸精密测量仪的数据预留精加工余量T，同时在加工位置附近通过辅助气体喷嘴400通以空气冷却并吹走熔渣。尺寸精密测量仪检测到剩余加工余量0＜t≤T时，通过激光控制器将纳秒激光切换为皮秒激光，同时移动陶瓷工件200至飞秒激光器330下方对孔进行精加工，加工路径为第二同心圆2，方向为逆时针(如图5所示)。检查到t＝0时，通过激光控制器关闭多脉宽光纤激光器300。将加工后的陶瓷工件200取下再次置于丙酮中超声清洗30min，得到成品。
上述三个实施例中，当尺寸精密测量仪检测到剩余加工余量t＞T时，继续重复粗加工步骤，在上述实施例中不再赘述；当尺寸精密测量仪检测到剩余加工余量0＜t≤T时，继续重复精加工步骤，在上述实施例中不再赘述。
采用实施例1至3的方法加工得到的陶瓷工件上的孔精度高，而且钻孔加工效率高，加工过程中可消除陶瓷工件激光加工区域里的重铸层、热裂纹等现象。
以上实施例仅用来说明本发明的详细方法，本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、提供多脉宽光纤激光器，所述多脉宽光纤激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，采用所述纳秒激光器对固定于工作台上的陶瓷工件进行粗加工，同时在加工位置附近喷射辅助气体；
S20、采用所述皮秒激光器或所述飞秒激光器对粗加工后的陶瓷工件进行精加工，同时在加工位置附近喷射辅助气体；
S30、预设精加工余量T，采用尺寸精密测量仪检测剩余加工余量t，当t>T时，重复步骤S10；当0＜t≤T时，重复步骤S20；如此循环，直至t＝0。
2.根据权利要求1所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述辅助气体选自空气、氧气、氮气或氩气中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述步骤S10之前还包括以下步骤：
S10＇＇、将待加工的陶瓷工件的表面进行研磨抛光处理，然后置于有机溶剂中进行超声清洗；
S10＇、将超声清洗后的陶瓷工件固定于工作台上，采用工作台调节所述陶瓷工件的位置以找准钻孔区域，然后利用所述多脉宽光纤激光器对所述钻孔区域进行聚焦以确定加工位置。
4.根据权利要求3所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述步骤S30之后还包括步骤S40：
关闭所述多脉宽光纤激光器，将陶瓷工件置于有机溶剂中进行超声清洗。
5.根据权利要求4所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述有机溶剂选自乙醇或丙酮。
6.根据权利要求4所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述超声清洗的时间为15～30min。
7.根据权利要求2所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述粗加工的路径为由内至外或者由外至内的螺旋线。
8.根据权利要求2所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述粗加工的路径为若干由内至外或者由外至内的第一同心圆。
9.根据权利要求2所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述精加工的路径为直径大于所述第一同心圆且与所述第一同心圆的圆心重叠的第二同心圆。
10.根据权利要求1至9任一项所述的复合纳秒-皮秒-飞秒激光技术的陶瓷钻孔方法，其特征在于，所述纳秒激光器、所述皮秒激光器和所述飞秒激光器均与激光控制器电连接。
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