CN101778693A - 利用可变倾角的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光加工方法。该激光加工方法可以包括将光学装置(12)发出的激光束(14)以第一倾角(θ)引导至工件(11)上以在该工件中产生切口(10)，以及改变该激光束的倾角。

Description

利用可变倾角的激光加工方法
技术领域
本发明总体上涉及一种激光加工方法，尤其涉及一种利用可变倾角的激光加工方法。
背景技术
当执行激光加工操作时，操作者通常使激光绕聚焦透镜的中心轴线旋转以限定形成想要得到的孔的边缘。为了在激光所钻的孔的侧面产生锥度，激光束不直接通过聚焦透镜的中心。代替地，激光束与透镜的中心轴线平行但不共线地进入透镜。透镜使激光束转向，使激光束相对于透镜的中心轴线成角度地到达工件。该角度被称为倾角，取决于透镜的几何条件和激光束与透镜的中心轴线之间的距离。改变激光束与中心轴线之间的距离会改变该倾角。不过，在传统的激光加工过程中，激光束保持与中心轴线的恒定距离，产生了恒定的倾角。
保持恒定倾角的传统激光加工技术常常导致工件中产生不必要的缺陷。例如，由于倾角，可以在孔壁中形成沉割。当孔被用作流体通道时，这些沉割可能会导致不稳定的流动。普通的激光加工技术遭遇的另一个问题是随着激光切过工件形成的材料云(材料浑浊)。这些材料云降低了激光的功率密度并产生等离子体熔蚀作用，导致不希望的热聚积和材料熔融，这反过来影响材料的表面特性，降低了孔的尺寸的精度并缩减了疲劳寿命。
在授予Durheim的美国专利No.6,070,813(’813专利)中描述了一种减少经激光加工的工件中的缺陷数量的方法。具体地，’813专利公开了一种形成喷嘴的方法。该方法包括使激光束这样聚焦，以使得它的焦点定位于喷嘴顶端部的外表面上达第一时间段。在第一时间段期间，产生了通道并且在该通道的外围沉积了废弃产物。该方法还包括使激光束这样重新聚焦，以使得它的焦点定位于喷嘴顶端部的外表面的上方达第二时间段的步骤。在第二时间段期间，激光分解废弃产物。
尽管’813专利中公开的激光加工方法可以减少喷嘴中的由于废弃产物沉积而导致的缺陷，但该方法不能良好地适用于所有应用。特别是，’813专利的方法不能减少孔壁中的沉割或材料云的形成。
本公开的激光加工方法的目的在于克服以上阐述的一个或多个缺点。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种激光加工的方法。该方法可包括将光学装置发出的激光束以一倾角引导至工件上以在该工件中产生切口，以及改变激光束的倾角。
本发明的另一个方面涉及另一种激光加工的方法。该方法可包括将激光束以一倾角引导于工件处，在工件中引起等离子体熔蚀，以及在工件中引起熔融材料的形成。该方法还可包括改变倾角以减少熔融材料所形成的材料云的数量。
本发明的另一个方面涉及一种形成锥形孔的方法。该方法可包括在工件中形成辅助孔，将激光束以一倾角引导至工件处以在该工件中产生切口以及在工件中继续产生切口的同时改变激光束的倾角。
附图说明
图1是本公开的激光加工方法的图示。
具体实施方式
图1示出激光在工件11中加工锥形孔10的示例性方法。该方法可包括光学装置12的使用，该光学装置包括激光器和透镜(未示出)。光学装置可产生被引导至工件11上的激光束14。
在激光加工锥形孔10之前，可在工件11中形成辅助孔18。辅助孔18可以形成在想要得到的锥形孔10的界限以内。例如，辅助孔18的直径可以是想要得到的锥形孔10的直径的大约百分之十。还可以考虑，辅助孔18的直径可以基于锥形孔10的预期深度来决定。
为了在工件11内形成锥形孔10，激光束14可以在与光学装置12的中心轴线20不共线的方向上被引导至工件11上。光学装置12可以使激光束14转向，使得光束14相对于中心轴线20和工件11成角度θ地到达工件11。该角度被称为倾角。该倾角可以是包含在光学装置12内的透镜的几何条件的函数。光学装置12能够改变所发出的光束的倾角θ。例如，图1示出分别以两个不同的角度，θ1和θ2，被引导的光束14a和14b。光束14可以绕中心轴线20旋转，如箭头22所示。
工业适用性
本公开的利用可变倾角的激光加工方法可以应用到各种各样的部件，包括，例如，燃料喷射器喷嘴。还可以考虑，本公开的方法也可以应用来激光加工除锥形孔以外的特征，例如，沿着工件边缘的直切。现在要详细说明一种示例性的利用可变倾角的激光加工方法。
参考图1，可以沿着想要得到的锥形孔10的轴线在工件11内钻辅助孔1。辅助孔18的直径可以取决于想要得到的锥形孔10的深度和直径。例如，辅助孔18的直径可以为锥形孔10的预期最终直径的大约百分之十。辅助孔18可以通过激光钻孔或其它钻孔装置形成。
光学装置12可以将光束14a以倾角θ1引导至工件11上，光学装置12可以使光束14绕轴线20旋转，如箭头22所示。旋转的光束14可包括等离子体熔蚀，使得在工件11内形成孔。光束14还可以引起由工件11的熔融材料形成的材料云的形成。该材料可流过辅助孔18.
随着由光束14形成的孔的深度增大，理想的是改变由光学装置12发出的光束的倾角以避免在锥形孔10的侧壁中形成沉割。例如，光学装置12可以被控制成这样引导光束14b以使其具有倾角θ2，其中倾角θ2大于倾角θ1。
改变倾角θ的方式的确定可能需要迭代过程(iterative process)，并可以取决于工件11的几何条件和材料特性、光学装置12的结构、光学装置12相对于工件11的位置以及锥形孔10的预期几何条件。可以考虑，具有变化的锥度的孔可以通过改变倾角θ来实现，并且改变倾角θ可以包括增大和减小θ。一旦对于特定的结构已经确定了最佳的一组倾角变化，那么同一组倾角变化可以应用到类似的工件。例如，在装配线上由激光加工的所有工件可以要求一组标准的倾角变化。
本公开的方法可以产生尺寸精度增大而没有不希望的沉割的激光加工特征。此外，本公开的方法的辅助孔可以使等离子体和其它不希望的材料云排出而不会影响锥形孔的几何条件，也不会引起工件表面的材料特性中的不希望的变化。
本领域技术人员将能明白，可以对本公开的利用可变倾角的激光加工方法进行各种修改和变型。通过仔细研究说明书以及实施所公开的方法，其它实施方式对本领域技术人员而言是显而易见的。本说明书及所述示例仅用于示例目的，而本发明的真实范围由所附权利要求及其等同方案表示。

Claims (10)

1.一种激光加工方法，包括：
将光学装置(12)发出的激光束(14)以第一倾角(θ)引导至工件(11)上以便在所述工件中产生切口(10)；以及
改变所述激光束的所述倾角。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括使所述激光束绕所述光学装置的中心轴线(20)旋转。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，引导所述激光束的步骤包括通过所述光学装置引导所述激光束偏移所述光学装置的中心轴线成一角度，和改变所述激光束的所述倾角的步骤包括改变所述激光束相对于所述中心轴线的角度。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，改变所述倾角的步骤包括随着所述切口的深度增大而增大所述倾角，和改变所述倾角的步骤是基于所述工件的几何条件、所述工件的材料特性、所述光学装置的结构、所述光学装置相对于所述工件的位置或者所述工件中的所述切口的预期几何条件中的至少一个。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括在所述工件中形成辅助孔(20)。
6.根据权利要求6的方法，其特征在于，将所述激光束引导至所述工件上的步骤包括使所述工件的至少一部分形成熔融材料，和该方法还包括使得所述熔融材料流过所述辅助孔。
7.一种激光加工方法，包括：
将激光束(14)以第一倾角(θ)引导至工件(11)处；
在所述工件中引起等离子体熔蚀；
在所述工件中引起熔融材料的形成；以及
改变所述倾角以减少由所述熔融材料形成的材料云的数量。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，还包括钻辅助孔(18)和使得所述熔融材料流过所述辅助孔。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于，还包括使所述激光束旋转。
10.根据权利要求7的方法，其特征在于，还包括使所述激光束旋转，和改变所述倾角的步骤包括随着所述工件中的切口的深度增大而增大所述倾角。
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