CN103418913A

CN103418913A - 一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法

Info

Publication number: CN103418913A
Application number: CN2013103514483A
Authority: CN
Inventors: 张晓兵; 孙瑞峰
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明提供了一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法，包括由上至下依次间隔设置的扫描振镜、激光扫描聚焦镜和楔形镜，所述扫描振镜、所述激光扫描聚焦镜和所述楔形镜位于同一中心轴上，激光束经由所述扫描振镜围绕所述中心轴沿同心圆轨迹旋转；所述激光束通过所述激光扫描聚焦镜聚焦；所述激光束通过所述楔形镜产生远离所述中心轴的偏折；且所述楔形镜与所述激光束同步转动，使得透过所述楔形镜的所述激光束保持相同的倾斜角度。本发明增加了加工小孔深度并提高了小孔的加工质量及稳定性。

Description

一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法

技术领域

本发明涉及一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法，该加工装置及方法可提高超短脉冲激光加工小孔深度及质量，主要用于航空发动机涡轮叶片气膜孔加工。属于激光材料加工技术领域。

背景技术

目前，利用激光加工小孔的方法主要有定点冲击加工法、旋转切割加工法和螺旋线进给加工法。一般而言，定点冲击法加工小孔的效率高，通过偏焦和能量控制孔径大小，但加工质量最差，而旋转切割加工法加工小孔的孔径范围大，孔径更圆，但加工效率偏低。上述两种方法的共同不足在于，由于激光功率密度沿轴向在焦点两端发散，加工的小孔通常存在锥度的缺陷。而螺旋线切割法由于加工过程中焦点位置随加工深度逐步下移，锥度最小，加工质量也最好。

现有的超短脉冲激光通常指飞秒激光（10^-15s）、皮秒激光（10^-12s），由于作用时间短，激光功率密度高（超过10¹²w/cm²），激光去除材料的过程几乎没有热扩散，材料去除没有通常的热熔现象。因此，采用超短脉冲激光可以加工孔壁没有热影响区、再铸层、微裂纹的小孔。而毫秒等较长脉冲宽度激光加工小孔几乎无法避免小孔孔壁产生再铸层。

但是，由于超短脉冲激光器平均功率偏低，脉冲能量通常仅几个毫焦或几百微焦，而现有利用超短脉冲激光器的加工方式主要采用激光垂直入射旋切或螺旋线加工方式，导致加工深度有限。在加工深度较大时，难以实现通孔，或者加工时间非常长，通孔的锥度大。其主要原因在于，超短脉冲激光脉冲能量较小，因此，要达到材料去除阈值的能量密度，激光在与材料作用处光斑应足够小，但由于激光聚焦特性，焦点位置上下光束发散明显，导致能量密度显著下降。为此，虽然可以采用螺旋线加工方式，让焦点位置逐步下移，但深度达到一定程度后，在入口处发散的激光束能量密度已无法保证进一步扩大入口的缝宽，导致激光能量不能全部进入材料内部，去除率下降，当加工深度进一步增大，焦点处激光能量密度将无法保证进一步去除材料；另一个原因是，随着深度增大，加工过程产生的等离子体、金属蒸汽溢出更加困难，将严重屏蔽激光能量进入，也导致深度越大，材料去除率更低。由于等离子体滞留在窄缝内会吸收大量激光能量，易造成对孔壁尤其是入口处的热影响，而且由于长时间金属蒸汽只能通过入口逸出，导致其易在孔口局部逐步沉积冷却而形成再铸层；同样不难理解，深度较大时，小孔锥度明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够增加加工小孔深度并提高加工质量及稳定性的超短脉冲激光加工小孔装置。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述装置的小孔加工方法，该方法能够增加加工小孔深度并提高加工质量及稳定性。

为达到上述目的，本发明提出一种超短脉冲激光加工小孔装置，包括由上至下依次间隔设置的扫描振镜、激光扫描聚焦镜和楔形镜，所述扫描振镜、所述激光扫描聚焦镜和所述楔形镜位于同一中心轴上，激光束经由所述扫描振镜围绕所述中心轴沿同心圆轨迹旋转；所述激光束通过所述激光扫描聚焦镜聚焦；所述激光束通过所述楔形镜产生远离所述中心轴的偏折；且所述楔形镜与所述激光束同步转动，使得透过所述楔形镜的所述激光束保持相同的倾斜角度。

如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，所述楔形镜与驱动电机相连，所述驱动电机驱动所述楔形镜转动。

如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，所述倾斜角度为所述激光扫描聚焦镜的激光聚焦会聚角的一半。

如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，其特征在于，所述倾斜角为3°～5°。

本发明还提出了一种小孔加工方法，采用如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，所述小孔加工方法包括：

依次经过所述超短脉冲激光加工小孔装置的扫描振镜、激光扫描聚焦镜和楔形镜的多束倾斜的激光束绕中心轴旋转，该中心轴与被加工件上被加工小孔的中心轴同轴；

所述激光束焦点的运动轨迹为多个同心圆；

通过激光束在被加工件的表面加工出圆环状凹槽；

随被加工出的所述凹槽深度的增加，被加工件同步上移，被加工件上移速度等于被加工件逐层去除的速度；

直至完成被加工件上小孔的加工成形。

如上所述的小孔加工方法，其中，在加工过程中，所述楔形镜绕中心轴旋转，所述楔形镜旋转方向及速度与所述激光束沿圆周运动的轨迹同步。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1、本发明采用激光倾斜入射，激光焦点沿多个同心圆路径螺旋线移动加工的凹槽开敞性好。因此，激光焦点在向不断加深的凹槽底部移动过程中，聚焦激光束，尤其是同心圆外侧的激光束由于在倾斜之后，整个圆锥形光束最接近孔壁端部分几乎与孔壁平行，使得激光束基本不会被部分遮蔽，显然可以增加加工小孔的深度，并且倾斜作用于孔壁的激光束也有利于减小小孔锥度。

2、另外，开敞性的凹槽也有利于加工产生的等离子体、金属蒸汽的逃逸，从而尽量避免对激光的屏蔽以及由此产生的更大热效应，同样也易于避免金属蒸汽在孔壁及入口附近的冷凝、沉积，提高了加工质量及稳定性。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明超短脉冲激光加工小孔装置的结构示意图；

图2为本发明超短脉冲激光加工小孔装置当楔形镜转到另一边的结构示意图；

图3为本发明的激光束焦点的运动轨迹示意图；

图4为本发明小孔加工方法过程中初始阶段的示意图；

图5为本发明小孔加工方法过程中去除小孔深度较大时的示意图。

附图标记说明：

1-扫描振镜；2-激光扫描聚焦镜（f-θ镜）；3-楔形镜；4-旋转轴；5-激光束；6-被加工件；7-圆环状凹槽；8-激光束的焦点。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1、图2，为本发明超短脉冲激光加工小孔装置的结构示意图。如图1、图2所示，本发明超短脉冲激光加工小孔装置，该超短脉冲激光加工小孔装置包括由上至下依次间隔设置的扫描振镜1、激光扫描聚焦镜2（f-θ镜）和楔形镜3，扫描振镜1、激光扫描聚焦镜2和楔形镜3位于同一中心轴（即旋转轴4）上，该旋转轴4即为拟加工小孔的中心轴。扫描振镜1用于使激光束5产生沿多个同心圆轨迹运动；激光扫描聚焦镜2用于聚焦激光束5；楔形镜3用于激光束5发生远离中心轴的偏折，即产生倾斜。可通过楔形镜3的厚度变化，调整激光束5的偏折方向和角度。激光束5依次经由扫描振镜1、激光扫描聚焦镜2和楔形镜3入射至被加工件6表面，入射激光束5通过扫描振镜1反射并围绕旋转轴4沿同心圆轨迹旋转，且楔形镜3与激光束5同步转动，使得透过楔形镜3的激光束5保持相同的倾斜角度。

在本发明中，楔形镜3与驱动电机（图中未示出）相连，驱动电机驱动楔形镜3转动。通过控制装置发出的控制信号控制楔形镜3的转动方向和速度，使得楔形镜3与激光束5的转动方向和速度保持一致。

在本发明中，激光束5的倾斜角度为激光扫描聚焦镜2的激光聚焦会聚角的一半。例如倾斜角为3°～5°。倾斜角的大小根据加工小孔的孔径、深度、聚焦焦距以及工艺试验结果等因素综合考虑后确定。

请参考图3、图4、图5所示，本发明还提供了一种小孔加工方法，该小孔加工方法采用如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，该小孔加工方法包括：

经过超短脉冲激光加工小孔装置的多束倾斜的激光束绕旋转轴4旋转，该旋转轴4与被加工件5上被加工小孔的中心轴同轴；

激光束5焦点的运动轨迹为多个同心圆（如图3所示），同心圆的个数、直径等由加工不同孔径、不同深度小孔的工艺试验结果确定；

通过激光束5在被加工件的表面加工出圆环状凹槽7；

随被加工出的凹槽7深度的增加，被加工件6同步上移，等同于激光束的焦点8逐步下降，被加工件6上移速度等于被加工件6逐层去除的速度，其中被加工件6通过工作台，如直线滑台，实现上移动作；

直至完成被加工件6上小孔的加工成形。

进一步的，在加工过程中，楔形镜3绕旋转轴4旋转，楔形镜3旋转方向及速度与激光束5沿圆周运动的轨迹同步。

在本发明中，实现激光倾斜入射并沿圆周旋转的方法是，激光束聚焦采用f-θ镜2位于2维扫描振镜1下方，聚焦激光束的倾斜通过楔形镜3实现，加工过程中楔形镜3绕旋转轴4旋转，楔形镜3旋转方向及速度须与激光束5沿圆周运动的轨迹同步，以保证聚焦激光束沿圆周运动于不同位置时正确的倾斜方向。

本发明在1台皮秒激光加工系统上完成，加工头拟采用2维振镜扫描聚焦装置，通过扫描振镜1扫描使激光束5沿同心圆高速旋转，最快可以达到2m/s，从而尽可能避免加工过程产生的热影响。在扫描振镜聚焦装置下端安装直驱电机驱动的楔形镜，楔形镜的选型、加工要求及安装位置，应满足相应的偏离倾角的要求；楔形镜易于更换，可满足不同加工倾角要求。

在本发明中，由于采用了激光束倾斜入射及激光束沿多个同心圆路径移动的加工方式，加工的凹槽开敞性好。因此，激光焦点在向不断加深的凹槽底部移动过程中，聚焦激光束，尤其是同心圆外侧的激光束由于在倾斜之后，整个圆锥形光束最接近孔壁端部分几乎与孔壁平行，使得激光束基本不会被部分遮蔽，显然可以增加加工小孔的深度，并且倾斜作用于孔壁的激光束也有利于减小小孔锥度。另外，开敞性的凹槽也有利于加工产生的等离子体、金属蒸汽的逃逸，从而尽量避免对激光的屏蔽以及由此产生的更大热效应，同样也易于避免金属蒸汽在孔壁及入口附近的冷凝、沉积，提高了加工质量及稳定性。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims

1.一种超短脉冲激光加工小孔装置，其特征在于，所述超短脉冲激光加工小孔装置包括由上至下依次间隔设置的扫描振镜、激光扫描聚焦镜和楔形镜，所述扫描振镜、所述激光扫描聚焦镜和所述楔形镜位于同一中心轴上，

所述扫描振镜，激光束经由所述扫描振镜围绕所述中心轴沿同心圆轨迹旋转；

所述激光扫描聚焦镜，所述激光束通过所述激光扫描聚焦镜聚焦；

所述激光束，所述激光束通过所述楔形镜产生远离所述中心轴的偏折；

且所述楔形镜与所述激光束同步转动，使得透过所述楔形镜的所述激光束保持相同的倾斜角度。

2.如权利要求1所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其特征在于，所述楔形镜与驱动电机相连，所述驱动电机驱动所述楔形镜转动。

3.如权利要求1所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其特征在于，所述倾斜角度为所述激光扫描聚焦镜的激光聚焦会聚角的一半。

4.如权利要求3所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其特征在于，所述倾斜角为3°～5°。

5.一种小孔加工方法，采用如权利要求1至4中任一项所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其特征在于，所述小孔加工方法包括：

所述激光束焦点的运动轨迹为多个同心圆；

通过激光束在被加工件的表面加工出圆环状凹槽；

直至完成被加工件上小孔的加工成形。

6.如权利要求5所述的小孔加工方法，其特征在于，在加工过程中，所述楔形镜绕中心轴旋转，所述楔形镜旋转方向及速度与所述激光束沿圆周运动的轨迹同步。