一种基于同轴监测的自适应激光钻孔方法

技术领域

本发明涉及激光钻孔技术领域，具体为一种基于同轴监测的自适应激光钻孔方法。

背景技术

在金属、陶瓷和高分子聚合物等材料上制备微米级的微孔一直是工业生产中的难点。材料厚度通常为0.5-3mm，微孔直径80-300μm，在这个加工范围内通常激光沿圆孔轮廓切割后，微孔中心处的材料容易卡在孔中导致无法成孔，同时加工过程受熔渣、激光加工深度效应等因素，加工过程中容易导致成孔失败。而对于电子线路板等需要加工大量孔群的应用，一旦有一个小孔内的材料未完全排净会导致整个线路板失效。为保证成孔率，通常采用过多的加工次数，导致成孔后激光仍然进行加工，影响加工效率。而对微孔是否成孔还需要采用显微镜进行观测，费时费力。

此外，由于材料厚度远大于激光焦深，加工过程中激光扫描一定次数后会将焦点向下移动从而对深层的材料进行去除，而每层设置的加工次数一样。但加工过程中每层所需的加工次数并不相同，深度较大处的材料受侧壁对激光能量的吸收所需的加工次数更多，导致焦点并非始终处于最佳位置，而激光也并不处于最大去除效率，严重制约了加工效率，而这个加工过程的动态性导致无法通过提前规划是激光焦点始终处于大去除效率的位置。

发明内容

本发明针对已有激光钻孔装置的不足，提供了一种基于同轴监测的自适应激光钻孔方法。本发明通过与振镜同轴安装的光谱仪和ICCD相机，解决了焦点偏离材料导致去除效率过低的问题，并实现了加工后通孔成型质量的在线检测。

本发明的技术方案如下：

一种基于同轴监测的自适应激光钻孔方法，包括如下步骤：

(1)装夹待加工工件；

(2)调节激光加工头使得加工激光束聚焦于待加工工件的上表面；

(3)按照预先设定的加工参数和理论加工次数开始进行激光扫描加工；通过ICCD相机实时拍摄由激光作用于工件表面所产生的等离子体，同时利用光谱仪实时分析ICCD相机收集的光谱；在待加工工件下方设置激光光源作为背光源；

(4)记录开始加工0～2s内工件表面的最大等离子体强度，将该最大等离子体强度作为等离子体强度的参考值；

(5)加工过程中，实时判断加工激光束是否已穿透工件，若工件已被穿透，转入步骤(7)；若工件未被穿透，进入步骤(6)；

(6)判断当等离子体强度是否低于参考值的70％，若是，则表明激光焦点已偏离加工面，此时调节激光加工头使得激光焦点沿Z轴方向向下移动，当等离子强度增大到大于参考值的70％时，停止调节Z轴，之后在该高度按照当前加工参数和理论加工次数继续进行激光扫描加工；返回步骤(5)；

(7)当工件被穿透后，在当前位置按照当前加工参数和理论加工次数继续进行激光扫描加工，若等离子体消失，且光谱仪检测的光谱中仅包含激光光源的谱线，则表明加工激光束已完全去除材料，此时停止微孔加工；

(8)分析激光光源透过微孔在ICCD相机中的成像，当成像亮斑的强度和尺寸与标准值相差不超过5％时，表明微孔已完成加工；若相差超过5％，表明未达到加工要求，继续按照原加工参数进行若干次加工，直至成像亮斑的强度和尺寸与标准值相差不超过5％。

优选的，其还包括步骤(9)：记录加工过程中激光焦点在不同高度时的实际加工次数，依据实际加工次数，进行理论加工次数的修正，即在所记录的激光焦点高度值，令理论加工次数与实际加工次数相等；将ICCD相机对等离子体信号的采样频率降为初始值的20％，依据修正后的理论加工次数进行下一个微孔的加工，重复执行步骤(5)-(8)，直至完成所有微孔的加工。

本发明具有如下有益效果：

1、在激光对厚板材料进行钻孔过程中，可以观测到当焦点位置固定时，加工一定次数后等离子体强度明显降低，这表明激光处于去除效率较低的状态，而下移焦点等离子体强度会再次提升，激光重新回到较高的去除状态。本发明通过ICCD对加工过程进行实时监控，以此判断出焦点是否偏离加工表面，并将该数据反馈给计算机。当等离子体强度明显减弱时计算机会发出控制信号给可变扩束镜使焦点的位置下移，保持激光始终处于较高的材料去除状态。因此，本发明可通过等离子体的强度动态调整焦点的位置，使激光的材料去除效率处于最佳状态，提高加工效率，同时避免了材料厚度不均匀对加工的影响。

2、本发明通过光谱仪和ICCD判断微孔的加工状态、形状和尺寸。当激光穿透材料后，用于微孔背光的半导体激光会穿透小孔，当光谱仪检测到该波段的激光时表明材料已穿透，但并不表示微孔已完成加工，激光会继续出光。同时当微孔完成加工时，激光不会再对材料产生作用，此时ICCD中无成像的等离子体且光谱仪除背光激光波段的光谱外，无其他范围的光谱，则判断小孔的加工已完成，激光停止加工，此外通过建立微孔尺寸、材料厚度与入射到ICCD光强和亮斑成像尺寸之间的关系，也可用于判定微孔加工完成的依据，当依据以上两个条件判断微孔制作完成时，激光停止加工并记录此时的加工次数，避免了加工过程中为保证良品率所采用过多的加工次数，提高生产效率。

3、当系统判定采用自适应动态调焦完成微孔加工时，计算机会记录整个加工过程中所采用的加工参数，用于后续微孔的制备，减少了工艺参数优化过程，并节省了后续加工过程中频繁的数据传输和计算，提高了系统的响应速度。

4、本发明将喷嘴与振镜同轴安装，喷嘴通过气管与气泵相连，在激光钻孔过程中吹出高压气体，以吹走加工过程中产生的烟尘和孔中的熔渣，保护镜片的同时还提高了加工质量，克服了振镜加工无法高压吹气的难题。

附图说明

图1为基于同轴监测的自适应激光钻孔装置的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行更清楚详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于同轴监测的自适应激光钻孔装置，该装置包括运动控制单元、激光加工头和实时监测单元等。

所述运动控制单元包括可移动工件的XY两轴运动平台1、第一滚珠丝杆2、第二滚珠丝杆4和第三滚珠丝杆8、第一伺服电机3、第二伺服电机5和第三伺服电机9、工件装夹平台10。

所述第一伺服电机3通过联轴器与第一滚珠丝杆2的一端连接，第一滚珠丝杆2通过丝杆滑块与XY两轴运动平台1相连，通过第一伺服电机3驱动第一滚珠丝杆2可使XY两轴运动平台1作X方向的移动；同理，通过第二伺服电机5驱动第二滚珠丝杆4可使XY两轴运动平台1作Y方向的移动；

所述第三伺服电机9固定在工件装夹平台10的右侧，并通过联轴器与第三滚珠丝杆8的一端相连，第三滚珠丝杆8通过丝杆滑块与工件装夹平台10的左半边平台相连，通过第三伺服电机9驱动第三滚珠丝杆8可控制工件装夹平台10的左半边平台的移动，最终实现工件7的装夹。

所述激光加工头包括激光器24、凹透镜20、丝杆滑块21、第四滚珠丝杠22、第四伺服电机23、凸透镜19、扫描振镜17、光束聚焦镜16、喷嘴15、气管26和气泵25。

激光从激光器24发出，经过凹透镜20扩束后经凸透镜19准直再进入扫描振镜17，通过扫描振镜17对激光的控制使激光透过高透反射镜12聚焦于待加工工件7的表面。凹透镜20通过丝杆滑块21安装在第四滚珠丝杆22上，通过第四伺服电机23驱动第四滚珠丝杠22转动可控制激光经过凸透镜19后的发散角，进而调节激光焦点在垂直方向上的位置。

所述喷嘴15与扫描振镜17同轴安装，并通过气管26与气泵25相连。高压气体由气泵25产生，由气管26导入喷嘴15，最终从喷嘴15喷出，以吹去激光钻孔时产生的熔渣和烟尘。

所述实时监测单元包括激光光源6、LED光源11、高透反射镜12、ICCD相机13和光谱仪14。

所述LED光源11安装固定在喷嘴15的出口上，激光钻孔前，LED光源11开启，光线照射到工件7表面，并被反射到高透反射镜12处，再经高透反射镜12反射进入ICCD相机13内完成成像。

高透反射镜12要求下表面可以对波长400～700nm范围内的光进行高反(反射率≥95％)，上表面可以对波长为1030～1070nm范围内的激光束进行高透(透射率≥99％)。

同理，激光钻孔过程中，ICCD相机可以对由激光作用于工件7表面所产生的等离子体进行成像并获得等离子体的强度和分布，光谱仪14用于借助ICCD对等离子体强度的放大完成钻孔过程中等离子体光谱的检测，以及完成透过小孔激光光谱的检测，ICCD相机的信号采样频率范围为5～100Hz。

所述激光光源6为半导体激光器，功率为毫瓦级，激光光源6安装在待加工工件7下方的XY两轴运动平台1上，作为背光源用于通过小孔形状和尺寸判断小孔是否制备完成。当加工出通孔后，激光光源6所产生的光线会穿过小孔，并经高透反射镜12反射进入ICCD相机13完成成像，同时光谱仪也可以根据光谱特征曲线对穿过小孔的光谱范围和强度进行检测。

利用上述装置对工件加工通孔的方法及具体步骤如下：

加工开始前，将当前厚度材料下标准尺寸的小孔放置于加工头下，通过ICCD相机13检测激光光源6透过小孔后所成像的亮斑强度和空间分布，将ICCD相机13所检测的亮斑强度和尺寸作为当前材料厚度、当前微孔尺寸条件下的标准值。

(1)装夹所需加工微孔的工件7，移动XY两轴运动平台1和凸透镜20，通过第三伺服电机9驱动第三滚珠丝杆8控制装夹平台10左右两侧的距离，完成工件7的装夹；

(2)开启LED光源11和激光光源6，设定ICCD相机的信号采样频率在30～100Hz，通过ICCD相机13获取待加工工件7表面的图像；通过待加工工件7表面的实时成像可对加工位置进行视觉定位，同时通过计算机18控制XY两轴运动平台1将工件7移动至指定加工位置，控制凸透镜20移动使激光聚焦于工件表面；

(3)开启气泵25和激光器24，按照预先设定的加工参数和理论加工次数开始进行激光扫描加工；ICCD相机13实时对由激光作用于工件表面所产生的等离子体进行成像并获得等离子体的强度和分布；所述加工参数包括激光功率、重复频率、脉宽和扫描速度等，根据材料的厚度，所述理论加工次数的初始值为一固定值，比如可以设置为100次/mm。

(4)初始加工时激光聚焦于工件7表面，激光加工效率最高，所产生的等离子体强度为当前参数下的最大值，记录开始加工0～2s内材料表面的最大等离子体强度，将该最大等离子体强度作为等离子体强度的参考值；

(5)加工过程中，实时判断加工激光束是否已穿透工件，判断方法为：当光谱仪14检测到的单色峰与激光光源6的波长相等时，则表明工件已被穿透，转入步骤(7)；若波长不相等，则表明工件未被穿透，之后进入步骤(6)；

(6)若等离子体强度低于参考值的70％，则表明激光焦点已偏离加工面，此时停止激光扫描加工，通过计算机18控制第四伺服电机23运动以实现激光焦点的Z轴方向的移动，当等离子强度增大到大于参考值的70％时，第四伺服电机23停止运动，停止调节Z轴，之后在该高度按照当前加工参数和理论加工次数继续进行激光扫描加工；返回步骤(5)；

(7)当工件被穿透后，此时焦点的位置不再随等离子体的强度减小而下降，而是在当前位置持续加工，当ICCD相机13成像的等离子体消失且光谱仪14所检测的光谱中仅包含激光光源6的谱线表明激光已完全去除材料完成小孔的加工。

(8)为防止部分碎屑卡在孔内，需要结合ICCD相机13对激光光源6透过小孔的光强和分布进行检测，当所成像亮斑的强度和尺寸与标准值相差不超过5％时，表明该微孔已完成加工。若未达到加工要求，则计算机18将控制激光扫描系统按照原参数继续加工，直至透过小孔的光强在ICCD相机13中所成像的亮斑强度和尺寸达到要求，停止该微孔的加工。

(9)记录上述加工过程中激光焦点在不同高度时的实际加工次数，依据实际加工次数，进行理论加工次数的修正，即在所记录的激光焦点高度值，令理论加工次数与实际加工次数相等。将ICCD相机13对等离子体信号的采样频率降为初始值的20％，依据修正后的理论加工次数进行下一个微孔的加工，重复执行步骤(5)-(8)，直至完成所有微孔的加工。

本发明的工件装夹平台，可根据具体工件的形状进行调整修改，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。