本公開涉及硬脆材料激光制孔領(lǐng)域，尤其涉及一種硬脆材料激光復(fù)合制孔方法。

背景技術(shù)：

1、目前，sic、si3n4、陶瓷基復(fù)合材料等硬脆材料具有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，在機(jī)械、光學(xué)、半導(dǎo)體、國防和科研領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，sic陶瓷常被用做裝甲防彈材料，空間反射鏡，耐磨損機(jī)械密封環(huán)等。但是，由于硬脆材料自身的高硬脆特性，使其成為典型的難加工材料。

2、現(xiàn)有常用作硬脆材料加工的方法主要有機(jī)械加工、超聲輔助加工、電火花加工、激光加工等。機(jī)械加工與超聲輔助加工方法常用金剛石作為刀具，但由于材料的高硬度特性使得金剛石刀具極易磨損；同時(shí)，由于硬脆材料多為不導(dǎo)電或?qū)щ娦阅茌^差的陶瓷材料，因此，電火花加工過程中材料去除率較低，電極損耗嚴(yán)重。

3、近年來，作為一種非接觸式的加工方法，激光正逐步應(yīng)用于硬脆材料加工中來。對于連續(xù)激光、長脈沖與短脈沖激光加工來說，短時(shí)間的熱作用雖能夠?qū)崿F(xiàn)大量材料的去除，但加工過程中的熱作用會(huì)在表面形成一定厚度的重凝層、熱影響區(qū)和表面微裂紋等問題。對于短波長納秒激光(如532nm、355nm納秒激光)與超短脈沖激光(如皮秒、飛秒激光)有利于硬脆材料對激光能量的吸收并有效的降低了熱輸入，成為硬脆材料加工的一種理想手段。但是，受限于材料厚度、激光能量等的限制，短波長激光在加工厚度較大的硬脆材料時(shí)，材料去除率較低，且存在明顯的錐度等問題。對于超短脈沖激光加工來說，遠(yuǎn)小于材料晶格弛豫寬度的激光與材料作用時(shí)間，使得材料所吸收的能量只能在晶格內(nèi)部傳導(dǎo)，而不會(huì)對周邊材料產(chǎn)生熱影響，因此也被稱為非熱熔性去除。然而，由于超短脈沖激光材料去除率低，限制了在硬脆材料宏觀加工方面的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開提供了一種硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上技術(shù)問題。

2、根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，包括兩種類型的激光，一為短波長納米激光或超短脈沖激光，提供低熱輸入的激光束進(jìn)行初次加工，形成初步特征，得到中間工件；另一個(gè)為脈沖寬度大于納米激光的紅外波長激光，提供高熱輸入的激光束進(jìn)行二次加工，實(shí)現(xiàn)材料大量去除。

3、在可能的實(shí)現(xiàn)方式中，預(yù)備硬脆材料上的構(gòu)造特征，所述構(gòu)造特征包括：孔、槽或其它指定封閉幾何形狀；

4、根據(jù)被加工硬脆材料熱導(dǎo)率、強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、光學(xué)吸收等特性，選擇短波長納秒激光或超短脈沖激光通過加工窗口在所述構(gòu)造特征的邊緣加工出封閉幾何形狀的環(huán)形溝槽，所述封閉幾何形狀的環(huán)形溝槽的寬度為w、深度為h；示例性的，對所述寬度為w、深度為h封閉幾何形狀的環(huán)形溝槽的錐度采用同軸檢測裝置進(jìn)行測量，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，得出錐度最小的參數(shù)組合，其中，工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、掃描策略、重疊率等；

5、采用脈寬大于納秒的紅外波長激光通過加工窗口對所述封閉幾何形狀的環(huán)形溝槽內(nèi)部材料進(jìn)行熱裂去除；

6、示例性的，對所述封閉幾何形狀的環(huán)形溝槽內(nèi)部材料熱裂去除深度通過同軸檢測裝置測量，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，得出去除深度為h、去除表面平整的工藝組合，其中，工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、掃描策略、重疊率、掃描次數(shù)等；

7、將所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光焦點(diǎn)下移深度h，重復(fù)進(jìn)行所述封閉幾何形狀的環(huán)形溝槽的加工操作；

8、將脈寬大于納秒的所述紅外波長激光焦點(diǎn)下移深度h，重復(fù)所述熱裂去除的加工操作；

9、沿所述環(huán)形溝槽的縱向深度，預(yù)留出預(yù)設(shè)深度的待加工部；

10、通過所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光對所述待加工部進(jìn)行最終去除。

11、在一可實(shí)施方式中，所述沿所述環(huán)形溝槽的縱向深度，預(yù)留出預(yù)設(shè)深度的待加工部的步驟中，包括：

12、采用短波長納秒激光或超短脈沖激光通過加工窗口沿所述環(huán)形溝槽重復(fù)至少一次的進(jìn)給加工操作，以使所述環(huán)形溝槽的深度不斷增加；

13、采用脈寬大于納秒的所述紅外波長激光通過加工窗口對所述環(huán)形溝槽內(nèi)部材料重復(fù)至少一次的熱裂去除的加工操作。

14、在一可實(shí)施方式中，所述待加工部的預(yù)設(shè)深度小于等于所述環(huán)形溝槽的單次加工深度h。

15、在一可實(shí)施方式中，所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光包括綠光納秒、紫外納秒激光和超短脈沖激光。

16、在一可實(shí)施方式中，所述環(huán)形溝槽通過線重疊率為85-95％的短波長納秒激光或超短脈沖激光加工出來。

17、在一可實(shí)施方式中，所述脈寬大于納秒的所述紅外波長激光指的是高熱輸入類型的激光。

18、在一可實(shí)施方式中，所述熱裂去除的加工操作中，所述脈寬大于納秒的所述紅外波長激光通過加工窗口以環(huán)形溝槽內(nèi)部材料為掃描形狀，通過繪圖軟件進(jìn)行繪制。

19、在一可實(shí)施方式中，所述脈寬大于納秒的所述紅外波長激光對所述環(huán)形溝槽內(nèi)部材料進(jìn)行熱裂去除指的是通過高熱量輸入，使得硬脆材料承受極高的熱作用而超過材料內(nèi)部的結(jié)合力，發(fā)生熱致碎裂，通過控制激光參數(shù)實(shí)現(xiàn)深度為h的材料熱致碎裂去除。

20、在一可實(shí)施方式中，所述焦點(diǎn)下移深度h指的是采用所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光加工的深度。

21、在一可實(shí)施方式中，通過所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光對所述待加工部進(jìn)行最終去除的步驟中，在距離形成通孔距離小于或等于h時(shí)，僅使用所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光進(jìn)行環(huán)形溝槽加工，去除剩余厚度材料，得到最終通孔。

22、示例性的，通過所述硬脆材料復(fù)合制孔方法也可以進(jìn)行盲孔加工，即通過控制循環(huán)加工次數(shù)實(shí)現(xiàn)盲孔加工深度的控制。

23、本公開的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，利用短波長納秒激光或超短脈沖激光在孔、槽或其他指定封閉幾何形狀邊緣加工一定寬度與深度的環(huán)形溝槽，使得脈寬大于納秒的紅外波長激光所產(chǎn)生的熱影響有效的限制在環(huán)形溝槽內(nèi)部，減少了對周邊材料熱作用；將脈寬大于納秒的高功率紅外波長激光應(yīng)用于硬脆材料熱致碎裂，能夠顯著提高材料去除率；之后通過多步驟循環(huán)加工，能夠?qū)崿F(xiàn)厚度較大的硬脆材料加工。

24、應(yīng)當(dāng)理解，本部分所描述的內(nèi)容并非旨在標(biāo)識(shí)本公開的實(shí)施例的關(guān)鍵或重要特征，也不用于限制本公開的范圍。本公開的其它特征將通過以下的說明書而變得容易理解。

技術(shù)特征：

1.一種硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述沿所述環(huán)形溝槽的縱向深度，預(yù)留出預(yù)設(shè)深度的待加工部的步驟中，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述待加工部的預(yù)設(shè)深度小于等于所述環(huán)形溝槽的單次加工深度h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光包括綠光納秒、紫外納秒激光超短脈沖激光。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述環(huán)形溝槽通過線重疊率為85-95％的短波長納秒激光或超短脈沖激光加工出來。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述脈寬大于納秒的所述紅外波長激光指的是高熱輸入類型的激光。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述熱裂去除的加工操作中，所述脈寬大于納秒的所述紅外波長激光通過加工窗口以環(huán)形溝槽內(nèi)部材料為掃描形狀，通過加工窗口繪圖軟件進(jìn)行繪制。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述脈寬大于納秒的所述紅外波長激光對所述環(huán)形溝槽內(nèi)部材料進(jìn)行熱裂去除指的是通過高熱量輸入，使得硬脆材料承受極高的熱作用而超過材料內(nèi)部的結(jié)合力，發(fā)生熱致碎裂，通過控制激光參數(shù)實(shí)現(xiàn)深度為h的材料熱致碎裂去除。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，所述焦點(diǎn)下移深度h指的是采用所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光加工的深度。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，其特征在于，通過所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光對所述待加工部進(jìn)行最終去除的步驟中，在距離形成通孔距離小于或等于h時(shí)，僅使用所述短波長納秒激光或所述超短脈沖激光進(jìn)行環(huán)形溝槽加工，去除剩余厚度材料，得到最終通孔。

技術(shù)總結(jié)
本公開提供了一種硬脆材料激光復(fù)合制孔方法，涉及硬脆材料激光制孔領(lǐng)域。硬脆材料激光復(fù)合制孔方法包括預(yù)備硬脆材料上的構(gòu)造特征；采用短波長納秒激光或超短脈沖激光通過加工窗口在構(gòu)造特征的邊緣加工出環(huán)形溝槽；采用脈寬大于納秒的紅外波長激光通過加工窗口對環(huán)形溝槽內(nèi)部材料進(jìn)行熱裂去除；將短波長納秒激光或超短脈沖激光焦點(diǎn)下移深度H，重復(fù)進(jìn)行環(huán)形溝槽的加工操作；將脈寬大于納秒的紅外波長激光焦點(diǎn)下移深度H，重復(fù)熱裂去除的加工操作；沿環(huán)形溝槽的縱向深度，預(yù)留出預(yù)設(shè)深度的待加工部；通過短波長納秒激光或超短脈沖激光對待加工部進(jìn)行最終去除。采用本方案，使熱影響有效限制在環(huán)形溝槽內(nèi)部，減少了對周邊材料熱作用。

技術(shù)研發(fā)人員：石禮武,楊瀟,程?hào)|旭,郭偉,韋超,李琳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19