本實用新型涉及激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種通過液體散射改善通孔錐度的裝置。

背景技術(shù)：

激光打孔技術(shù)是一種以激光束為熱源，采用熱去除方法對材料進(jìn)行分離的技術(shù)。在激光打孔的過程中，高功率的脈沖激光聚焦在工件表面，材料被迅速加熱到熔化及汽化的溫度，隨后在材料氣體急聚膨脹的反沖壓力和高壓輔助氣體壓力的共同作用下，工件上熔融狀態(tài)的液體被擠出孔外，并在后續(xù)脈沖激光作用下持續(xù)上述過程，材料不斷去除，直至形成通孔。

激光打孔技術(shù)與其他打孔技術(shù)相比，具有諸多優(yōu)勢，例如，激光打孔技術(shù)是無接觸加工技術(shù)，加工工具與被加工工件之間不發(fā)生摩擦，避免因摩擦帶來加工工具的損耗，也不會因為加工材料較硬導(dǎo)致鉆頭折斷。其次，與其他無接觸的打孔技術(shù)(如電子束打孔技術(shù)、電火花腐蝕打孔技術(shù)、超聲波打孔技術(shù)等)相比，激光打孔技術(shù)可以加工出孔徑更小的孔(孔的直徑能達(dá)到10～250μm)，且加工效率高。因此，激光打孔技術(shù)廣泛應(yīng)用于加工金屬材料、陶瓷材料以及高分子材料等領(lǐng)域，很好地滿足了汽車工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、制表業(yè)以及醫(yī)療裝置制造業(yè)等行業(yè)對某些關(guān)鍵零部件精密加工的要求。

在使用激光打孔技術(shù)加工上述關(guān)鍵零部件的通孔時，錐度是衡量孔的重要質(zhì)量指標(biāo)，錐度越大說明所加工的孔的質(zhì)量越差。但是，利用現(xiàn)有的脈沖激光打孔技術(shù)加工得到的通孔往往存在較大的錐度，而這較大錐度產(chǎn)生的原因主要有以下三種：

1、加工開始時，激光束的焦點在工件表面上，隨著加工平面由工件表面向下延伸，加工表面產(chǎn)生的熱量逐漸降低，并且由于高壓輔助氣體在深孔中壓力損耗過大，導(dǎo)致孔底的熔融材料無法排出，使得底部孔徑逐漸變小，最終形成錐孔；

2、激光脈沖的光強(qiáng)在空間上位高斯分布，激光束中間能量高而四周能量低，導(dǎo)致通孔軸心線上的材料容易去除而四周的材料較難去除，形成錐孔；

3、被加工的材料在激光的輻照下氣化，生成蒸汽，高溫蒸汽中的熱電子致使其他中性粒子電離，形成光致等離子體，對激光有吸收作用。隨著激光打孔過程的持續(xù)進(jìn)行，等離子體不斷增加，對激光功率的削減作用越來越大，使得孔底材料獲得的能量減小，所形成的孔徑隨著孔深度的增加而變小，最終形成錐孔。由以上分析可知，采用傳統(tǒng)的激光加工方法所加工的孔不可避免地存在較大的難度。

針對上述情況，中國實用新型專利CN201310172352提出了一種在打孔的激光束中加入納米級粒子流的方法，通過納米粒子流對所加工的微孔進(jìn)行拋光，以改善所成孔的錐度。但是，精確的控制納米級粒子流進(jìn)入到微孔中在實際操作時存在較大的難度，尤其是當(dāng)孔徑僅為微米級時，由于表面張力太大，流體甚至很難進(jìn)入到微孔之中。另一中國實用新型專利CN201410050557提出一種利用電磁場提高激光束性能的方法來改善激光打孔錐度的方法，但存在裝置復(fù)雜，且需要高能量的磁場才足以消除錐度的缺點。再一中國專利CN201310476632提出一種通過在工件的上側(cè)和下側(cè)分別施加高能脈沖激光進(jìn)行打孔的方法。在打孔過程中，必須通過兩個高精度運動平臺使得兩個激光頭和所需打孔位置三者精確地保持在同一直線上，對上下兩個激光器的同軸度、運動平臺的精度等存在極高的要求。

綜上所述，現(xiàn)有的激光加工方法所加工出的孔不可避免地存在錐度，而現(xiàn)有的方法在一定程度上可以改進(jìn)孔的錐度，但是仍存在裝置復(fù)雜、操作困難等缺點，亟需實用新型新的改善激光加工中孔錐度的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述缺陷，本實用新型的目的在于提出一種通過液體散射改善通孔錐度的裝置。

為達(dá)此目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案：

一種通過液體散射改善通孔錐度的裝置，包括激光發(fā)生器；還包括反射裝置和反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述激光發(fā)生器相對固定地設(shè)置在工件的一側(cè)，所述反射裝置和反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述工件的另一側(cè)；

所述反射裝置包括盛放液體的空腔，所述液體的液面即是用來反射激光束的反射平面；所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與所述反射裝置連接，用以在所述液面上產(chǎn)生不同波幅的波紋；

所述激光發(fā)生器在所述工件上加工出帶有錐度的通孔后，其激光束穿過所述通孔后落到所述反射裝置的反射平面上，經(jīng)所述反射平面反射后落到所述通孔的孔周和內(nèi)壁；

以調(diào)節(jié)所述反射平面的方向的方式，并通過所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)所述反射裝置，在所述反射平面上產(chǎn)生不同波幅且不斷傳播的波紋，使得經(jīng)過這樣的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和內(nèi)壁上不同位置，以將所述通孔內(nèi)的錐度逐步消除。

優(yōu)選的，所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為頻率可調(diào)的振動源。

優(yōu)選的，所述振動源包括超聲發(fā)生裝置和超聲驅(qū)動裝置，所述超聲發(fā)生裝置和超聲驅(qū)動裝置電連接，所述超聲發(fā)生裝置與發(fā)射裝置連接，使空腔里反射 平面的表面形成結(jié)構(gòu)性波紋。

優(yōu)選的，所述反射平面的面積為所述通孔的最小截面直徑的10～15倍。

優(yōu)選的，所述工件通過夾具固定在所述激光發(fā)生器的一側(cè)。

一種通過液體散射改善通孔錐度的方法；其包括以下步驟：

1)將工件裝夾到夾具上，并調(diào)整夾具將工件上待加工通孔的目標(biāo)位置調(diào)節(jié)到激光發(fā)生器的正下方；

2)開啟激光發(fā)生器，使其發(fā)出的高能脈沖激光束聚焦到通孔的目標(biāo)位置上，開始在工件上打孔；經(jīng)過數(shù)個或幾十個脈沖后，打出帶錐度的通孔；

3)激光發(fā)生器繼續(xù)維持開啟的狀態(tài)，其穿過通孔的入射激光束打到反射裝置的反射平面上，并經(jīng)反射平面將入射激光束反射，使得反射激光束落到通孔的孔周和內(nèi)壁，將孔周和內(nèi)壁上多余的材料通過熔化消除或升華消除；

4)通過所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)所述反射裝置，在所述反射平面上產(chǎn)生不同波幅的波紋，使得經(jīng)過這樣的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和內(nèi)壁上不同位置，以將所述通孔內(nèi)的錐度逐步消除，得到內(nèi)徑一致的通孔。

優(yōu)選的，完成加工一個通孔的加工后，夾具帶動工件移動到下一個通孔的目標(biāo)位置，重復(fù)所述步驟1～4，直至完成該工件所需數(shù)量的通孔的加工。

優(yōu)選的，步驟4)中，所述反射激光束從下往上運動，依次消除所述通孔內(nèi)的錐度。

本實用新型的有益效果：通過反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使得反射裝置的空腔中的液體在表面形成特定的結(jié)構(gòu)性波紋，通過液面將一定強(qiáng)度的激光束反射回所加工的通孔的孔周和內(nèi)壁，并通過所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)所述反射裝置，在所述反射平面上產(chǎn)生不同波幅的波紋，使得經(jīng)過這樣的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔的孔周和內(nèi)壁上不同位置，以將所述通孔內(nèi)的錐度逐步消除，來改善 所加工的孔的錐度。在一次加工過程中完成通孔和改善錐度兩個操作，克服了現(xiàn)有方法中采用上下兩個激光頭對準(zhǔn)加工時需要極高運動精度要求的問題，并顯著地降低了成本；僅僅采用同一個激光發(fā)生器對目標(biāo)工件進(jìn)行加工和改善錐度，避免引入磁場等其他能場導(dǎo)致裝置復(fù)雜、成本過高、控制困難的缺點；該方法使用帶特定波紋的液面作為發(fā)射裝置，可增加激光的散射，避免激光直接反射回激光發(fā)生器導(dǎo)致激光發(fā)生器損壞。該方法裝置簡單，控制方便，適用于所有材料加工和微電子器件加工等領(lǐng)域，有較大的推廣空間。

附圖說明

圖1是本實用新型的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)～(d)是激光束作用到不同位置的反射裝置后的反射路徑圖；

圖3(a)是本實用新型中帶有錐度的通孔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(b)是本實用新型中加工完成后的通孔的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：激光發(fā)生器1，入射激光束11，反射激光束12；反射裝置2，反射平面20，空腔21；

反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3，超聲發(fā)生裝置31，超聲驅(qū)動裝置32；

工件4，通孔5，夾具6。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)方案。

一種通過液體散射改善通孔錐度的裝置，包括激光發(fā)生器1；還包括反射裝置2和反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3，所述激光發(fā)生器1相對固定地設(shè)置在工件4的一側(cè)，所述反射裝置2和反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3設(shè)置在所述工件4的另一側(cè)；

所述反射裝置2包括盛放液體的空腔21，所述液體的液面即是用來反射激光束的反射平面20；所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3與所述反射裝置2連接，用以在所述 液面上產(chǎn)生不同波幅的波紋；

所述激光發(fā)生器1在所述工件4上加工出帶有錐度的通孔5后，其激光束穿過所述通孔5后落到所述反射裝置2的反射平面20上，經(jīng)所述反射平面20反射后落到所述通孔5的孔周和內(nèi)壁；

以調(diào)節(jié)所述反射平面20的方向的方式，并通過所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3調(diào)節(jié)所述反射裝置2，在所述反射平面20上產(chǎn)生不同波幅且不斷傳播的波紋，使得經(jīng)過這樣的所述反射平面20反射的激光束落到所述通孔5的孔周和內(nèi)壁上不同位置，以將所述通孔5內(nèi)的錐度逐步消除。

根據(jù)光學(xué)反射定理，入射激光束11與反射平面20上各處波紋的表面法線的夾角，為反射激光束12與反射平面20上各處波紋的表面法線的夾角。反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3不斷調(diào)節(jié)反射裝置2，在所述反射平面20上產(chǎn)生不同波幅的波紋，且由于波紋的不斷傳播，在正對所述通孔5的反射平面20上會有不同的波峰波谷交替經(jīng)過，入射激光束11落到持續(xù)運動中的波峰波谷不同的高度位置上發(fā)生反射，使得反射激光束12在通孔5內(nèi)壁的落點逐漸升高，且在升高的過程中利用自身的熱量逐漸對通孔5內(nèi)的錐度進(jìn)行消除到與通孔5上部分的孔徑一致，得到整個孔徑上下都一致的通孔，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

如圖1所示，通過反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3使得反射裝置2的空腔21中的液體在表面形成特定的結(jié)構(gòu)性波紋，通過液面將一定強(qiáng)度的激光束反射回所加工的通孔5的孔周和內(nèi)壁，并通過所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3調(diào)節(jié)所述反射裝置2，在所述反射平面20上產(chǎn)生不同波幅的波紋，使得經(jīng)過這樣的所述反射平面反射的激光束落到所述通孔5的孔周和內(nèi)壁上不同位置，以將所述通孔5內(nèi)的錐度逐步消除，來改善所加工的孔的錐度。在一次加工過程中完成通孔和改善錐度兩個操作，克服了現(xiàn)有方法中采用上下兩個激光頭對準(zhǔn)加工時需要極高運動精度要求的問 題，并顯著地降低了成本；僅僅采用同一個激光發(fā)生器1對目標(biāo)工件進(jìn)行加工和改善錐度，避免引入磁場等其他能場導(dǎo)致裝置復(fù)雜、成本過高、控制困難的缺點；該方法使用帶特定波紋的液面作為發(fā)射裝置，可增加激光的散射，避免激光直接反射回激光發(fā)生器1導(dǎo)致激光發(fā)生器1損壞。該方法裝置簡單，控制方便，適用于所有材料加工和微電子器件加工等領(lǐng)域，有較大的推廣空間。

所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3為頻率可調(diào)的振動源。

通過振動源的頻率變化在反射平面20上形成不同波幅的波紋，振動源的頻率是可量化控制的，其振動波在已知密度的特點溶液中所產(chǎn)生的波紋振幅也是可以量化測得的，即實現(xiàn)了波幅的可控，通過波紋的不斷傳播，入射激光束11落到持續(xù)運動的，且波幅大小可調(diào)節(jié)的波紋的不同高度位置上發(fā)生反射，以對通孔5內(nèi)錐度的一定程度上的可控消除，提高加工效率。

所述振動源包括超聲發(fā)生裝置31和超聲驅(qū)動裝置32，所述超聲發(fā)生裝置31和超聲驅(qū)動裝置32電連接，所述超聲發(fā)生裝置31與發(fā)射裝置2連接，使空腔21里反射平面20的表面形成結(jié)構(gòu)性波紋。

給所述超聲驅(qū)動裝置31通電，驅(qū)動所述超聲發(fā)生裝置31，使空腔21里反射平面20的表面形成結(jié)構(gòu)性波紋。

所述反射平面20的面積為所述通孔5的最小截面直徑的10～15倍。

量化限定反射平面20面積，確保所有的激光束都能發(fā)射到通孔5內(nèi)或者工件4的背面，在激光束的能量較大時，通過這樣面積大小的反射平面20實現(xiàn)其的多次反射后實現(xiàn)能量的分散，防止具有一定能量的激光束對工件4或反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3造成損壞，延長設(shè)備的使用壽命。

所述工件4通過夾具6固定在所述激光發(fā)生器1的一側(cè)。完成加工一個通孔的加工后，夾具6帶動工件4移動，使得激光發(fā)生器1對準(zhǔn)工件4上下一個 通孔的目標(biāo)位置，再繼續(xù)完成加工，保證工件4穩(wěn)定性的同時，提高加工效率。

一種通過液體散射改善通孔錐度的方法；其包括以下步驟：

1)將工件4裝夾到夾具6上，并調(diào)整夾具6將工件4上待加工通孔的目標(biāo)位置調(diào)節(jié)到激光發(fā)生器1的正下方,如圖2(a)所示；

2)開啟激光發(fā)生器1，使其發(fā)出的高能脈沖激光束聚焦到通孔5的目標(biāo)位置上，激光發(fā)生器1聚焦的焦距取決于激光發(fā)生器1到工件4表面的距離，聚焦完成后開始在工件4上打孔；經(jīng)過數(shù)個或幾十個脈沖后，打出帶錐度的通孔5，如圖3(a)所示，所述的脈沖個數(shù)取決于工件4的材料、目標(biāo)通孔的孔徑大小和激光發(fā)生器1的功率實際決定；

3)激光發(fā)生器1繼續(xù)維持開啟的狀態(tài)，其穿過通孔5的入射激光束11打到反射裝置2的反射平面20上，并經(jīng)反射平面20將入射激光束11反射，使得反射激光束12落到通孔5的孔周和內(nèi)壁，將孔周和內(nèi)壁上多余的材料通過熔化消除或升華消除，如圖2(b)和圖2(c)所示；

4)通過所述反射調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3調(diào)節(jié)所述反射裝置2，在所述反射平面20上產(chǎn)生不同波幅的波紋，使得經(jīng)過這樣的所述反射平面20反射的激光束落到所述通孔5的孔周和內(nèi)壁上不同位置，以將所述通孔5內(nèi)的錐度逐步消除，得到內(nèi)徑一致的通孔，如圖2(d)所示和圖3(b)所示。

完成加工一個通孔的加工后，夾具6帶動工件4移動到下一個通孔的目標(biāo)位置，重復(fù)所述步驟1～4，直至完成該工件4所需數(shù)量的通孔的加工。

步驟4)中，所述反射激光束12從下往上運動，依次消除所述通孔5內(nèi)的錐度。

以上結(jié)合具體實施例描述了本實用新型的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本實用新型的原理，而不能以任何方式解釋為對本實用新型保護(hù)范圍的限制。 基于此處的解釋，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本實用新型的其它具體實施方式，這些方式都將落入本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。