專利名稱：一種觀察激光打孔硬脆性非金屬材料孔剖面形狀的方法
技術領域：
本發明涉及一種觀察激光打孔硬脆性非金屬材料孔剖面形狀的方法，特 別適用于對硬脆性非金屬材料的孔剖面形狀進行測量，屬于測量方法領域。
技術背景激光打孔是一種快速去除材料的過程，具有操作精確、高效率、無接觸、 孔徑小以及熱影響區小的特點，被廣泛運用到精密加工過程中。但是由于激光打孔的孔徑很小(一般在0.5mm以下)，在研究激光打孔過程中工藝參數對 孔質量的影響時，通常采用將材料沿側壁切割并研磨拋光，以得到孔的剖面 形狀。但是對于包括單晶、陶瓷、玻璃等在內的大多以共價鍵、離子鍵或兩 者混合的化學鍵而結合的非金屬材料來說，由于常溫下該類材料具有很大的 脆性，增加了傳統方法難度。主要體現在切割、研磨和拋光的時間增長以及 材料本身在長時間的切割、研磨作用下產生很大應力發生脆裂。由于硬脆性 非金屬材料具有這種特性，使研究人員無法直觀的觀察到孔的剖面形狀，從 而無法準確的評價工藝參數的優劣，嚴重阻礙了非金屬材料的激光加工性能 的進一步發揮和推廣。對激光打孔的孔質量，國內外一般采用的評價指標如文獻{Comparative statistical analysis of hole t印er and circularity in laser percussion drilling》(International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 42, 2002)所示，包括表面濺污、重凝層、熔渣，入口直徑、出口直徑、孔 錐度等。由于激光具有一定的發散角度，對具有一定厚度的材料打孔，孔剖 面形狀變的復雜，孔錐度不再可以準確的描述出孔特性，此時通常利用孔剖 面形狀對打孔質量進行評價。又如在文獻《Modeling and analysis of pulsed Nd:YAG laser machining characteristics during micro-drilling of zirconia》 (International Journal of Machine Toole & Manufacture, Vol.46， 2006)中作者將氧化鋯陶瓷對Nd:YAG激光的吸收表征為孔錐度及熱影響 區的變化，但是由于氧化鋯陶瓷的硬脆性，其觀察實驗僅限于觀察打孔材料 的上下表面，而對孔剖面形狀并沒有提及。如果可以觀察的孔的剖面形狀， 則可以更好的研究激光加工過程中材料對激光的吸收特性及優化現有的工藝參數。現有的對激光打孔的孔剖面形狀分析的最有效方法是采用激光共聚焦顯 微鏡，通過激光共聚焦顯微鏡可以在不損傷材料情況下描繪出孔剖面形狀。 但是由于激光共聚焦顯微鏡存在測量范圍的限制，對于深度大于5mm的小孔 剖面形狀己經無法繪制，而且激光打孔會在一定的工藝條件下出現倒喇叭的 剖面形狀，根據激光共聚焦掃描顯微鏡的原理，此時的剖面形狀將無法描繪。 此外激光共聚焦掃描顯微鏡價格昂貴，不利于研究和應用的廣泛應用。 發明內容本發明的目的是提供一種簡單可靠、無需切割或磨拋工藝、快速的確定激 光打孔硬脆性非金屬材料的孔剖面形狀的方法。該方法可以應用于各種硬脆 性非金屬，工藝重復性高，對各種厚度的材料進行激光打孔的孔剖面形狀均 可以準確描繪，避免了磨拋過程中材料發生斷裂。為達到所述目的，本發明通過以下技術方案實現1) 用多個薄片重疊并壓緊成所要觀察材料的厚度，再用激光進行打孔。 薄片材料的厚度依要求精度而定。材料越薄，重疊層數越多，可測量的不同 深度位置的孔徑數據越多，曲線擬合的精度就越高；材料越厚，重疊的層數 越少，可測量的不同深度位置的孔徑數據越少，曲線的擬合精度就越低；2) 將重疊的薄片展開，通過普通可測量型顯微鏡分別測量每個薄片上下 表面的孔徑。在測量孔徑過程中，還要記錄各個孔徑在重疊時的深度位置， 以完成下步的曲線擬合；3)根據所測得的各薄片上孔徑數據及各孔徑所在的深度位置采用函數進 行曲線擬合，得到激光打孔所要觀察材料厚度的孔剖面形狀。采用本發明中的方法避免對硬脆性材料的研磨拋光，簡單快速的完成對激 光打孔的孔剖面形狀的確定，而且所得到的孔剖面形狀與一整塊相同厚度相 同材料的樣品進行相同打孔工藝打孔的孔剖面形狀一致。與現有技術相比，本發明具的有益效果是1) 不受材料厚度的影響，本發明可以針對任何厚度的激光打孔的孔剖面 形狀觀察，不會由于材料的不同或厚度的增加而無法進行測量。在測量過程 中采用普通的可測量型顯微鏡就可以實現測量。2) 測量時間短，相對于傳統研磨拋光工藝，本發明確定孔剖面形狀的時 間要遠小于采用磨拋工藝。3) 測量準確，本發明可以準確的測量沿剖面方向激光打孔孔剖面形狀， 而采用磨拋工藝無法確保剖面正好處于孔徑的直徑位置。4) 不受材料類別的影響，本發明適用于任何硬脆性材料，包括陶瓷、單 晶、玻璃等。5) 使用發明方法所測量計算得到的激光打孔的孔剖面形狀與相同厚度的 一整塊厚板材料的打孔的孔剖面形狀一致，可以通過這種方法來對激光參數 與孔徑質量的影響進行研究，優化激光打孔的工藝參數。
圖1是觀察激光打孔硬脆性非金屬材料孔剖面形狀的方法的流程2是實例1中采用激光共聚焦顯微鏡測得的整塊厚板的孔剖面形狀 圖3采用發明方法得到的孔剖面形狀的結果圖4是實例2中采用激光共聚焦顯微鏡測得的整塊厚板的孔剖面形狀圖5采用發明方法得到的孔剖面形狀的結果圖6是實例3中采用發明方法得到的孔剖面形狀7是實例4中采用發明方法得到的孔剖面形狀圖具體實施方式
如圖1所示，用多個薄片2重疊成所要觀察的材料厚度1，并用激光3進行打孔；之后將重疊的薄片展開4，通過顯微鏡分別測量每個薄片上下表面的 孔徑5并記錄各個孔徑在重疊時的深度位置；最后根據所測得的各薄片上孔 徑數據及各孔徑所在的深度位置，采用多項式函數進行曲線擬合得到該厚度 材料激光打孔的孔剖面形狀。 多項式一般使用<formula>formula see original document page 6</formula>式中i^Y^代表孔徑隨深度t的而變化，用來表示孔剖面形狀；t表示深度； a^'-7義…，^是多項式的系數；"表示多項式的次數。通過測量各個薄片的 孔徑并記錄該孔徑所在的深度位置，就可以計算得出多項式系數fl,，從而得 到孔剖面形狀函數W"人系數&的數量即n的取值取決于重疊的薄片數量。 用該多項式函數描繪出的曲線即為孔剖面形狀。 實施例1:將4片厚度為l皿的氧化鋁陶瓷重疊并壓緊成4mm厚。激光輸出平均功 率500-600W，脈沖頻率50Hz，氣壓2-5bar，打孔時間0. ls，焦點位置位于 材料內部中心。進行激光打孔后，將4個薄片展開，分別測量每個薄片上下 表面的孔徑并記錄各個孔徑在重疊時的深度位置。最后根據所測得的各薄片 上孔徑數據及各孔徑所在的深度位置做多項式函數擬合，得到激光打孔的孔 剖面形狀的多項式表示A(/) = 0.0029704/3 + 0.018017一 + 0.0641261/ + 0.3149692由于激光共聚焦掃描顯微鏡可以在該厚度進行孔剖面形狀的測量，因此 對整塊4皿氧化鋁陶瓷進行相同打孔工藝的打孔并進行孔剖面形狀測量，對比采用發明方法所得到的函數描繪出的孔剖面形狀，二者結果相同(見圖2、圖3)。實施例2:將4片厚度為lmm的氧化鋁陶瓷重疊并壓緊成4mm厚。激光輸出平均功 率800-900W，脈沖頻率50Hz，氣壓2-5bar，打孔時間O. 05s，焦點位置位于 材料上表面。進行激光打孔后，將4個薄片展開，分別測量每個薄片上下表 面的孔徑并記錄各個孔徑在重疊時的深度位置。最后根據所測得的各薄片上 孔徑數據及各孔徑所在的深度位置做多項式函數擬合，得到激光打孔的孔剖 面形狀的多項式表示/ (Y) = 0,0024004f3 + 0.0207017f2 + 0.0580076f + 0.2949662由于激光共聚焦掃描顯微鏡可以在該厚度進行孔剖面形狀的測量，因此 對整塊4mm氧化鋁陶瓷進行相同打孔工藝的打孔并進行孔剖面形狀測量，對 比采用發明方法所得到的函數描繪出的孔剖面形狀，二者結果相同(見圖4、 圖5)。 實施例3:將5片厚度為lmm的石英玻璃重疊并壓緊成5ram厚。激光輸出平均功率 為100-350W，脈沖頻率200Hz，氣壓2-10bar，打孔時間0. 1-0. 5s，焦點位置 位于材料內部中心。進行激光打孔后，將5個薄片展開，分別測量每個薄片 上下表面的孔徑并記錄各個孔徑在重疊時的深度位置。最后根據所測得的各 薄片上孔徑數據及各孔徑所在的深度位置做多項式函數擬合，得到激光打孔 的孔剖面形狀的多項式表示= 0.0011839/3 + 0,0110394/2 + 0.049431 k + 0.296925根據孔剖面形狀多項式描繪出孔剖面形狀如圖6所示。該厚度的整塊材料 采用激光共聚焦顯微鏡已無法測量孔剖面形狀。 實施例4:將10片厚度為lmm的氧化鋁陶瓷重疊并壓緊成10mm厚，激光輸出平均功 率為1000-1200W，脈沖頻率50Hz，氣壓2-5bar，打孔時間0. 5s，焦點位置位 于材料內部中心。進行激光打孔后，將10個薄片展開，分別測量每個薄片上 下表面的孔徑并記錄各個孔徑在重疊時的深度位置。最后根據所測得的各薄 片上孔徑數據及各孔徑所在的深度位置做多項式函數擬合，得到激光打孔的 孔剖面形狀的多項式表示i 0) = 0.0004452f3 + 0.006078U2 + 0.0463 508f + 0.4647378根據孔剖面形狀多項式描繪出孔剖面形狀如圖7所示。該厚度的整塊材料 采用激光共聚焦顯微鏡已無法測量孔剖面形狀。
權利要求
1、一種觀察激光打孔硬脆性非金屬材料孔剖面形狀的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將多個薄片材料重疊并壓緊，其厚度與所要觀察材料的厚度相同；2)利用激光(3)對重疊后的材料進行打孔后，將重疊的薄片(2)展開，分別測量各個薄片上下表面的孔徑并記錄各個孔徑所在的深度位置；3)根據所測得的各薄片上下表面的孔徑數據及各孔徑所在的深度位置，采用函數進行曲線擬合，得到激光打孔所要觀察材料厚度的孔剖面形狀。
2、 根據權利要求1所述的觀察硬脆性非金屬材料孔剖面形狀的方法，其特征 在于所述的擬合函數為多項式函數。
全文摘要
本發明涉及一種觀察激光打孔硬脆性非金屬材料孔剖面形狀的方法，特別適用于對硬脆性非金屬材料的孔剖面形狀進行測量，屬于測量方法領域。本發明通過重疊并壓緊某種材料的薄片至特定厚度并進行激光打孔，打孔后將重疊薄片的展開，分別測量各個薄板上下表面的孔徑并記錄各孔徑的深度位置，最后采用曲線擬合的方法描繪出孔剖面形狀。采用該發明方法避免對硬脆性材料的研磨拋光，簡單快速的完成對激光打孔的孔剖面形狀的確定，而且所得到的孔剖面形狀與一整塊相同厚度相同材料的樣品進行相同打孔工藝打孔的孔剖面形狀一致。
文檔編號G01B11/12GK101241002SQ20081010194
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月14日 優先權日2008年3月14日
發明者季凌飛, 蔣毅堅, 閆胤洲, 勇 鮑 申請人:北京工業大學