CN100388997C - 喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷射液束电解—激光复合加工方法及其装置，其方法是利用激光发生装置产生激光束在工件上进行孔、缝、槽的加工，同时，喷射液束装置产生与激光束同轴的高速喷射液束去除材料；其装置包括激光器和工件安装夹具，还包括电源和喷射液束装置，喷射液束装置包括喷射装置安装座、绝缘转接座、阴极、聚焦透镜、防护镜、绝缘外套和喷嘴。本发明的方法以激光加工为主，在激光加工的基础上增加了高速喷射液束的冲刷、冷却以及在激光辐照条件下的喷射液束电解的复合加工作用，从而可以实现在激光加工过程中“在线”去除再铸层；其装置保证了充电电解液束与激光束同轴喷射，可同时实现喷射液束中的激光加工和激光束照射下的喷射液束电解加工。

Description

喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置

一、技术领域

本发明涉及一种加工细小孔、缝、槽等结构的方法，尤其涉及一种利用电解和激光的复合加工方法，同时涉及一种该方法专用的加工装置。

二、背景技术

电解加工、激光加工是上世纪五、六十年代才开始发展起来的加工工艺，由于其各具不同的优越性而得到了飞速发展，在航空航天、武器装备、汽车、电子、船舶等制造业中得到广泛应用。两者对于上述领域中广泛存在的尺寸在0.25mm～1.5mm的细小孔、缝、槽的加工具有各自鲜明的特点。激光加工是一种高能束流加工方法，它以光量子为能量载体，利用聚焦后光的高能量密度产生的光热效应来去除材料，具有加工速度快、加工精度高(可至微米级)、无切削力、无需加工工具等优点，易于实现加工过程的自动化、数字化。但激光加工后工件表面存在再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷而影响工件的疲劳强度，例如在现代航空发动机上，其涡轮叶片、导向器叶片、燃烧室等高温工作零件上，一般都设计有几十个到数万个直径在0.25mm～1.25mm的气膜冷却孔，在机械冲击载荷、热冲击载荷工作条件下激光加工后的表面缺陷会严重影响零件使用的安全可靠性，因而限制了激光加工在航空航天等高可靠性制造中的应用。上述细小孔的电解加工方法主要采用型管电解加工和电液束加工。电液束加工是利用阴极充电电解液喷射到工件表面，在喷射点上产生阳极溶解而去除材料，该工艺技术具有可达性好、表面完整性好、深径比大的特点，是公认的“三无”(无再铸层、无残余应力、无微裂纹)加工技术。美、俄、英、德等国家已成熟应用于航空发动机叶片的小孔加工。我国于上世纪70年代开展了电液束加工的试验研究，并在90年代成功加工出“三无”群孔叶片，但其加工速度远不及激光加工，加工过程也不如激光加工那样稳定。

目前国内外研究的减薄、消除激光加工再铸层的技术措施包括：后续光整加工、辅助气体喷射、水射流引导激光加工、化学辅助激光加工、超声辅助激光加工、零件局部预热等，但这些技术还没有能够比较成功地实现在线消除再铸层、热应力、微裂纹问题。近期发展的高能密度、超短脉冲激光加工，如飞秒激光加工，已经可以成功实现“三无”加工，但受技术难度、激光器功率、寿命、加工成本的制约，目前还只处于试验室研究阶段，还只是在微纳加工领域显示其应用前景。因此研究在激光加工过程就能够在线减薄再铸层、残余应力、微裂纹，探索工程实用的优质高效加工技术途径，很有必要。

在综合分析以上介绍的背景技术基础上，借鉴水射流引导激光加工和电液束小孔加工技术原理，创新提出了喷射液束电解-激光复合加工工艺技术并发明设计了相应装置，保证在激光加工过程、与激光束同轴喷射充电“阴极化”的电解液束，实现以激光加工为主的喷射液束电解-激光复合加工。既有高效率的电解-激光复合加工；又有电解液束高速喷射及激光-喷射液束电解复合加工作用，可以在线去除再铸层；对解决航空航天、武器装备、汽车、电子、船舶等工业领域内广泛存在的尺寸在0.25mm～1.5mm之间的细小孔、缝、槽等结构的优质高效加工具有重要意义。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种可以加工细小孔、缝、槽等结构，并可消除再铸层、无残余应力、无微裂纹、效率高的方法，同时提供了该方法专用的加工装置。

2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的方法是：利用激光发生装置产生激光束在工件上进行孔的加工，同时，喷射液束装置产生与激光束同轴的高速喷射液束，激光束在喷射液束的引导下去除材料，喷射液束对激光加工区进行冷却、冲刷的同时，还进行电化学阳极溶解，可以有效减薄再铸层至0.01mm以下，甚至完全消除。

本方法中使用的喷射液为中性盐水溶液或者超纯水；

所述的超纯水为去离子水或者蒸馏水；

中性盐水溶液为低浓度中性盐水溶液，浓度为3％-15％。

本发明的装置包括激光器和工件安装夹具，还包括电源和喷射液束装置，其中，喷射液束装置包括喷射装置安装座、绝缘转接座、阴极、聚焦透镜、防护镜、绝缘外套和喷嘴，喷射装置安装座分别与激光器及绝缘转接座连接；阴极与绝缘转接座连接，阴极中空部分形成喷射液束腔体，阴极与激光器产生的激光束同轴安装；聚焦透镜与防护镜分别固定在绝缘转接座的上下两端面上；阴极外设有绝缘外套，喷嘴固定于绝缘外套的下端，并且位于绝缘外套的下端的中间位置，激光器产生的激光束通过喷嘴；电源的正极与工件连接使其带有正电，负极与阴极连接使喷射液束带负电。

电源可以为直流电源或者直流脉冲电源。

本装置还包括电解液循环过滤系统，该电解液循环过滤系统包括溢流调压阀、输液泵、球阀、进液接头、工作箱、回液管和电解液槽，喷射液束装置置于工作箱内，进液接头与喷射液束装置中阴极中空部分形成的喷射液束腔体连接，电解液槽中的电解液依次经过输液泵和球阀，从进液接头进入喷射液束腔体，再从喷嘴喷出，然后流入工作箱底部经由回液管回流至电解液槽；溢流调压阀设于球阀与电解液槽之间，调节电解液的喷射速度。

本装置还包括过滤器，设于输液泵与电解液槽之间，用于过滤电解液中的杂质。

电解液循环过滤系统中设有液压表；在喷射液束电解电流回路中，安装有测量电解加工电压、电流的电压表和电流表。

本发明的方法中，将喷射液束电解与激光加工进行复合，实现了一种优质高效又无表面缺陷的加工方法，用于解决航空航天、武器装备、汽车、电子装备中大量存在的、尺寸在0.25mm～1.5mm之间的细小孔、缝、槽等结构的加工难题。

本发明的加工装置，将工件接直流电源或直流脉冲电源的正极，与激光束同轴安装的阴极绝缘外套接电源负极，使喷射液束充电“阴极化”且与激光束同轴以一定速度喷射，激光在喷射液束的引导下高效去除材料，同时喷射液束对激光加工区进行的冷却、冲刷作用，以及被“阴极化”的喷射液束在激光加工区局部高温下的电化学阳极溶解作用，可以将激光加工过程所产生的再铸层“在线”减薄至0.01mm以下、甚至完全消除，得到加工表面无再铸层、无残余应力、无微裂纹的“三无”加工效果。

3、有益效果：本发明的优点是：(1)本发明的方法以激光加工为主，在激光加工的基础上增加了高速喷射液束的冲刷、冷却以及在激光辐照条件下的喷射液束电解的复合加工作用，从而可以实现在激光加工过程中“在线”去除再铸层；复合加工机理以激光的光热效应去除材料为主，而激光聚焦后的高温又增强、促进了电解作用，使得工件电解液束喷射点的阳极溶解更为集中有效；同时也使得喷嘴到工件间的电解液束辉光放电更为强烈；如此，喷射液束电解加工不仅可以辅助激光加工去除材料，而且更重要的是可以迅速去除激光加工时所产生的再铸层；另外喷射液束的冷却作用还可以消除热影响，减少激光加工材料熔滴在加工区的再沉积；而高速冲刷也能带走熔滴，可以有效阻止再铸层的生成。本发明中去除材料以激光加工作用为主，而充电“阴极化”喷射液束的电解作用以去除再铸层，消除残余应力及微裂纹为主。依据一般电解加工和电液束小孔加工原理和经验，选择低浓度中性盐水溶液、或者超纯水、如去离子水、蒸馏水作为电解液，对于减轻或消除电解液对精密零件和设备的腐蚀、污染具有重要意义；(2)本发明的装置保证了充电电解液束与激光束同轴喷射，且电解液束喷射点与激光束聚焦点在工件表面打孔位置重合，可以同时实现喷射液束中的激光加工和激光束照射下的喷射液束电解加工，如此复合加工作用，既优化表面质量，又提高加工效率，综合达到优质、高效的技术经济效果。(3)本发明的装置结构简单，易于安装、检修。

四、附图说明

附图是本发明的喷射液束电解-激光复合加工装置的结构示意图。

图1中标号名称：1、直流电源或直流脉冲电源，2、激光器，3、喷射装置安装座，4、聚焦透镜，5、绝缘转接座，6、防护镜，7、绝缘外套，8、工作箱，9、阴极，10、阴极绝缘套，11、喷嘴，12、工件安装夹具，13、工件，14、工作台，15、回液管，16、电解液槽，17、过滤器，18、溢流调压阀，19、输液泵，20、球阀，21、液压表，22、进液接头，23、喷射液束装置

五、具体实施方式

实施例1：本实施例为喷射液束电解-激光复合加工方法，首先是利用激光发生装置产生激光束在工件上进行孔的加工，同时，利用喷射液束装置产生与激光束同轴的高速喷射液束，激光束在喷射液束的引导下去除材料，喷射液束对激光加工区进行冷却、冲刷的同时，还进行电化学阳极溶解，可以有效减薄再铸层至0.01mm以下，甚至完全消除。

所述的喷射液为超纯水，也可以采用中性盐水溶液；所述的超纯水为去离子水或者蒸馏水；中性盐水溶液为低浓度中性盐水溶液，浓度为3％-15％。

实施例2：本实施例为喷射液束电解-激光复合加工装置，包括激光器2和工件安装夹具12，还包括直流电源1和喷射液束装置23，其中，喷射液束装置23包括喷射装置安装座3、绝缘转接座5、阴极9、聚焦透镜4、防护镜6、绝缘外套7和喷嘴11，喷射装置安装座3分别与激光器2及绝缘转接座5连接；阴极9与绝缘转接座5连接，阴极9中空部分形成喷射液束腔体，阴极9与激光器2产生的激光束同轴安装；聚焦透镜4与防护镜6分别固定在绝缘转接座5的上下两端面上；阴极9外设有绝缘外套7，喷嘴11固定于绝缘外套7的下端，激光器2产生的激光束通过喷嘴11；直流电源1的正极与工件连接使其带有正电，负极与阴极9连接使喷射液束带负电。

本实施例还包括电解液循环过滤系统，该电解液循环过滤系统包括溢流调压阀18、输液泵19、球阀20、进液接头22、工作箱8、回液管15和电解液槽16，喷射液束装置23置于工作箱8内，进液接头22与喷射液束装置23中阴极9中空部分形成的喷射液束腔体连接，电解液槽16中的电解液依次经过输液泵19和球阀20，从进液接头22进入喷射液束腔体，再从喷嘴11喷出，然后流入工作箱8底部经由回液管15回流至电解液槽16；溢流调压阀18设于球阀20与电解液槽16之间，调节电解液束的喷射速度。

本实施例还包括过滤器17，设于输液泵19与电解液槽16之间，用于过滤电解液中的杂质。

电解液循环过滤系统中设有液压表21；在喷射液束电解电流回路中，安装有测量电解加工电压、电流的电压表和电流表。

实施例3：本实施例与实施例2的结构基本相同，电源1为直流脉冲电源。

实施例2和实施例3的装置工作时，先将夹具12通过导电块接电源1的正极而使工件13带正电，与激光束同轴安装的阴极9接电源1的负极，使喷射液束充电“阴极化”且与激光束同轴以一定速度喷射，喷射速度可通过溢流调压阀18进行调节；激光器2发出激光由聚焦透镜4聚焦于工件表面加工位置进行激光打孔加工，同时喷射液束对激光加工区进行的冷却和冲刷作用，以及被“阴极化”的喷射电解液束在激光加工区局部高温条件下使工件发生的电解作用，可以将激光加工过程所产生的再铸层“在线”减薄至0.01mm以下、甚至完全消除，得到加工表面无再铸层、无残余应力、无微裂纹的“三无”加工效果。具体实施过程如下：

(1)光路检测：启动并调整激光器2发出可视白炽光，通过白炽光的观察确认光路顺畅、聚焦透镜4、防护镜6位置正常；

(2)将工件13定位：将工件13通过夹具12固定于工作台14上，通过调整工作台14的位置(X，Y，Z三个方向)，将工件待加工区置于激光聚焦点；

(3)电路检测：将电源1的正、负极通过导线分别与夹具12和阴极9连接，用仪表检测电路，检查正极与工件13是否相通，负极与阴极9是否相通，极性不能接反，两极也不能短路相通；

(4)循环流动电解液：确认管道流畅、球阀阀门位置正确无误后，开启输液泵19，则电解液依次流过过滤器17、输液泵19、球阀20，从进液接头22进入电液束腔体，从喷嘴11的小孔高速喷射出，喷射点与激光聚焦点重合，然后流入工作箱8底部经由回液管15回流至电解液槽16；

(5)启动调整激光器2发出激光，同时开启电源1，进行喷射液束电解-激光复合加工。通过电流表、液压表21的读数得到电解电流和输液压力的大小；通过调节加工电源输出电压(调节范围：20～80V)控制加工过程中的电解电流；通过溢流调压阀18调节电解液输液压力(调节范围：0.3～0.5MPa)而调节电解液束的喷射速度。

Claims (10)

1.一种喷射液束电解-激光复合加工方法，利用激光发生装置产生激光束在工件上进行孔、缝、槽的加工，其特征在于，同时，喷射液束装置产生与激光束同轴的高速喷射液束，激光束在喷射液束的引导下去除材料，喷射液束对激光加工区进行冷却、冲刷和电化学阳极溶解而在线减薄、去除激光加工过程所产生的再铸层。

2.如权利要求1所述的喷射液束电解-激光复合加工方法，其特征在于，喷射液为中性盐水溶液或者超纯水。

3.如权利要求2所述的喷射液束电解-激光复合加工方法，其特征在于，所述的超纯水为去离子水或者蒸馏水。

4.如权利要求2所述的喷射液束电解-激光复合加工方法，其特征在于，中性盐水溶液为低浓度中性盐水溶液，浓度为3％-15％。

5.一种喷射液束电解-激光复合加工装置，包括电源(1)、激光器(2)、工件安装夹具(12)和喷射液束装置(23)，其中，喷射液束装置(23)包括喷射装置安装座(3)、阴极(9)、聚焦透镜(4)和喷嘴(11)，其特征在于，喷射液束装置(23)还包括绝缘转接座(5)、防护镜(6)和绝缘外套(7)，喷射装置安装座(3)分别与激光器(2)及绝缘转接座(5)连接；阴极(9)与绝缘转接座(5)连接，阴极(9)中空部分形成喷射液束腔体，阴极(9)与激光器(2)产生的激光束同轴安装；聚焦透镜(4)与防护镜(6)分别固定在绝缘转接座(5)的上下两端面上；阴极(9)外设有绝缘外套(7)，喷嘴(11)固定于绝缘外套(7)的下端；电源(1)的正极与工件连接使其带有正电，负极与阴极(9)连接使喷射液束带负电。

6.如权利要求5所述的喷射液束电解-激光复合加工装置，其特征在于，电源(1)为直流电源或者直流脉冲电源。

7.如权利要求5或6所述的喷射液束电解-激光复合加工装置，其特征在于，还包括电解液循环过滤系统，该电解液循环过滤系统包括溢流调压阀(18)、输液泵(19)、球阀(20)、进液接头(22)、工作箱(8)、回液管(15)和电解液槽(16)，喷射液束装置(23)置于工作箱(8)内，进液接头(22)与喷射液束装置(23)中阴极(9)中空部分形成的喷射液束腔体连接，电解液槽(16)中的电解液依次经过输液泵(19)和球阀(20)，从进液接头(22)进入喷射液束腔体，从喷嘴(11)喷出，然后流入工作箱(8)底部经由回液管(15)回流至电解液槽(16)；溢流调压阀(18)设于球阀(20)与电解液槽(16)之间，调节电解液束的喷射速度。

8.如权利要求5或6所述的喷射液束电解-激光复合加工装置，其特征在于，还包括过滤器(17)，设于输液泵(19)与电解液槽(16)之间。

9.如权利要求5或6所述的喷射液束电解-激光复合加工装置，其特征在于，电解液循环过滤系统中设有液压表(21)。

10.如权利要求5或6所述的喷射液束电解-激光复合加工装置，其特征在于，在电源(1)正极-工件-阴极(9)-电源(1)的负极形成的喷射液束电解电流回路中，安装有测量电解加工电压、电流的电压表和电流表。

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