CN103521933B - 一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法 - Google Patents

一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法,通过高能脉冲激光A作用于工件上表面使工件上表面产生熔池,然后工件下侧的高能脉冲激光B穿过约束层并作用于吸收层诱导等离子体爆炸产生冲击波,冲击波沿着工件向上传播并在固液界面处产生扰动,在固液界面产生拉应力,拉应力迫使熔融材料与工件分离,从而使熔融材料破碎并喷出孔外。本发明加快了打孔速度,提高了打孔质量,可应用于中、厚板激光打孔加工。

Description

一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域,具体涉及一种激光打孔方法。
技术背景
激光打孔技术是激光在材料加工领域最早的应用技术之一。在激光打孔过程中,高能量的脉冲激光聚焦在工件表面,使材料加热、熔化甚至汽化,随后金属蒸气急剧膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力共同作用下,熔融材料被挤出孔外,后续的脉冲激光持续上述过程,材料不断地去除直至形成盲孔或者通孔。
激光打孔与其他打孔方法相比具有打孔深径比大、无接触、无工具损耗、加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料等显著优越性,能良好地满足现代工业产品加工的要求,广泛应用于航空航天、电子仪表及医疗器械等高精尖端产品的关键零部件中,如激光加工技术应用于加工航空发动机上高达104个冷却孔。
但是,现有的脉冲激光打孔技术存在以下几个技术难点:
1.存在打孔极限深度,即改变激光打孔参数:激光功率、激光频率、激光脉宽、光斑大小、离焦量、打孔时间、辅助气体等,打孔最大深度不超过某一极限值,限制了激光打孔技术向深孔的发展。出现极限深度的原因是,高压辅助气体在深孔中压力损耗过大,到达孔底的气压不足以破坏液体表面张力,同时,孔深越大,压力越难将熔融材料从孔底挤压出到孔外,导致孔不再向深度方向发展。孔底高温的熔融材料一旦难以排出孔外,会使周边的材料熔化,使孔底的孔径变大,孔径不规则,产生鼓形的畸形孔。
2.孔壁上附着一定厚度的重铸层,会引发孔内微裂纹的产生,重铸层厚度越大,微裂纹的萌生率越高。出现该现象的原因是,孔底熔融材料是贴着孔壁表面向孔外喷射的,当蒸气反作用力和辅助气体压力不足或者熔融材料聚集过多时,压力不足以将孔壁上熔融材料推出孔外,而在孔壁凝固下来,形成重铸层。尤其在深孔加工中,熔融材料由于外界压力不足会在孔壁上积存过多,形成较厚的重铸层,由于重铸层结构较疏松,是微裂纹产生的源头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法,以加快打孔速度,提高打孔质量。
为了解决以上技术问题,本发明基于激光冲击波理论,将工件下表面诱导等离子体爆炸产生的冲击波作用于熔池中的固液界面,使熔融材料与工件材料分离并溅射出孔外,最终熔池变成孔穴,具体技术方案如下:
一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一,在工件(4)下表面向下依次覆盖一层吸收层(6)和一层透明的约束层(7);
步骤二,将工件(4)固定在两个竖直且相对的激光头之间,保证两个激光头产生的高能脉冲激光A(1)和高能脉冲激光B(8)的中心与所需打的孔的中心在同一直线上,并使工件(4)覆盖有吸收层(6)的一侧朝下;
步骤三,设置工件(4)上下侧的激光器参数,使高能脉冲激光A(1)参数和高能脉冲激光B(8)参数满足加工要求;所述高能脉冲激光A(1)参数包括激光功率、激光脉宽、激光频率和激光离焦量;所述高能脉冲激光B(8)参数包括激光能量、脉冲宽度、激光频率;
步骤四,使高能脉冲激光A(1)位于工件(4)上侧并作用于工件(4)上表面使工件(4)上表面产生熔池;同时,使高能脉冲激光B(8)穿透约束层(7)作用于吸收层(6)诱导等离子体爆炸形成冲击波(5),冲击波(5)沿着工件(4)向上传播并在固液界面(3)处产生扰动,在固液界面(3)产生拉应力,拉应力迫使熔融材料(2)与工件(4)分离,从而使熔融材料(2)破碎并喷出孔外,形成孔穴;后续高能脉冲激光重复上述过程,直至孔深达到要求;
步骤五,取下工件(4),去除工件(4)下表面的吸收层(6)和约束层(7)。
所述高能脉冲激光A(1)的激光功率为500W~5000W,激光脉宽为100ns~20ms,激光频率为10~200Hz,激光离焦量为2~-5mm。
所述高能脉冲激光B(8)的激光能量为1~100J,脉冲宽度为10~30ns,激光频率为10~200Hz。
本发明的工作原理为:高能脉冲激光作用于工件上表面使工件上表面产生熔池,然后高能脉冲激光穿过约束层并作用于吸收层诱导等离子体爆炸产生冲击波,冲击波沿着工件向上传播并在固液界面处产生扰动,在固液界面产生拉应力,拉应力迫使熔融材料与工件分离,从而使熔融材料破碎并喷出孔外,形成孔穴。
本发明具有有益效果。本发明通过激光诱导冲击波作用于固液界面可使孔底熔融材料更易排出孔外,能极大地提高了激光打孔的速度;同时,激光诱导冲击波可使传统激光加工中深孔底部难以排出的熔融材料排除孔外,可增加激光打孔的深度极限值;另外,在激光诱导冲击波作用下,熔融材料以更大的速度离开孔穴,避免在孔壁上的滞留,从而可使孔壁上的重铸层厚度减少,继而减少微裂纹的萌生率,特别适用于中、厚板激光打孔加工。
附图说明
图1是激光诱导冲击波辅助激光打孔原理图。
图中:1.高能脉冲激光A,2.熔融材料,3.固液界面,4.工件,5冲击波,6.吸收层,7.约束层,8.高能脉冲激光B。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节,下面结合附图对一种激光诱导冲击波辅助激光打孔的方法作进一步说明。
本发明的利用激光诱导冲击波辅助激光打孔的方法,其涉及的结构有高能脉冲激光A1、工件4、吸收层6、约束层7和高能脉冲激光B8,其中工件4下表面向下依次覆盖一层吸收层6和一层透明的约束层7,高能脉冲激光A1位于工件4上侧并作用于工件4上表面,高能脉冲激光B8位于工件4下侧并穿过透明的约束层7作用于吸收层6。本实施例中工件4为100mm×100mm×5mm的不锈钢钢板;吸收层6为厚度为100μm的铝箔,用专用胶水黏贴在不锈钢板上;约束层7为厚度为3mm的流水层;高能脉冲激光A1为脉宽为2ms,功率为2500W,频率为30Hz,离焦量为0的脉冲激光;高能脉冲激光B8为脉宽为15ns,能量为15J,频率为30Hz的脉冲激光。
实施本发明的具体步骤如下:
第一步:在工件4下表面依次覆盖一层吸收层6和一层透明的约束层7;
第二步:将工件4固定在两个竖直且相对的激光头之间,保证两个激光头产生的高能脉冲激光A1和高能脉冲激光B8的中心与所需打的孔的中心在同一直线上,并使工件4覆盖有吸收层6的一侧朝下;
第三步:设置工件4上下侧的激光器参数,使高能脉冲激光A1参数和高能脉冲激光B8参数满足加工要求;
第四步:高能脉冲激光A1和高能脉冲激光B8分别作用于工件的上下表面,进行激光诱导冲击波辅助激光打孔过程,直至孔深达到要求;
第五步:取下工件4,去除工件4下表面的吸收层6。
本发明的冲击波产生及作用机理是:工件4上表面吸收处于工件4上侧的高能脉冲激光A1的能量后,熔化并形成熔池,在熔池底部存在着熔融材料2;同时,处于工件4下侧的高能脉冲激光B8穿过透明的约束层7作用在吸收层6上,吸收层6吸收激光能量产生等离子体爆炸,约束层7可以约束等离子体爆炸,延长等离子体爆炸的时间和提高等离子体爆炸产生的峰值压力达数个GPa,形成冲击波5,该冲击波5透过吸收层6沿着工件4向上传播并作用于工件4上表面熔池中的固液界面3上,由于工件4与熔融材料2之间声阻抗不匹配,因此冲击波5在固液界面3上将产生反射波扰动和透射波扰动,其中,反射波扰动会使固液界面3处的熔融材料2产生拉应力,迫使熔融材料2与工件4分离,从而使熔融材料2破碎并喷射出孔外,达到去除材料的目的,后续的脉冲重复上述过程,不断去除孔底部的熔融材料2直至孔形达到要求为止。
以下是两组激光打孔对比实验。
实验一:采用实施例中的参数和步骤对工件4为100mm×100mm×5mm的不锈钢钢板进行激光诱导冲击波辅助激光打孔加工,分别加工5个孔;同时,对比试验是将实现激光诱导冲击波的高能脉冲激光束B停止工作,只采用相同参数的高能脉冲激光束A单独对相同尺寸的不锈钢钢板进行加工,分别加工5个孔。采用高速摄像机记录激光打孔过程用以统计激光打穿不锈钢钢板所需的时间,然后采用线切割工艺沿着孔径方向将孔一一切割分开,并抛光截面,再用比例为2:2:3的硝酸、醋酸、盐酸溶液对截面进行腐蚀,由于重铸层和基体的耐腐蚀强度不一致,腐蚀后可使重铸层更清晰地显示出来,然后再使用光学显微镜对孔口处的重铸层的厚度进行观察和测量。实验结果如表1和表2所示。
表1 5mm厚钢板打孔时间对比,时间单位s
方法 孔1 孔2 孔3 孔4 孔5 平均值
本发明 2.55 2.50 2.47 2.58 2.49 2.52
传统加工 4.41 4.54 4.78 5.03 4.69 4.69
表2 5mm厚钢板孔壁重铸层厚度对比,厚度单位μm
方法 孔1 孔2 孔3 孔4 孔5 平均值
本发明 42.2 41.3 45.1 43.5 38.7 42.2
传统加工 75.5 73.4 75.8 72.7 78.1 75.1
从表1可以看出,采用本发明的激光诱导冲击波辅助激光打孔方法的打孔平均时间为2.52s,而采用传统激光打孔方法的平均打孔时间为4.69s,由此可见,采用本发明可使激光打孔速度提高46.3%。
从表2可以看出,采用本发明的激光打孔方法获得的重铸层平均厚度为42.2μm,而采用传统激光打孔方法的重铸层平均厚度为75.1μm,因此,可以发现采用本发明的能使孔壁上的重铸层厚度减少43.8%。
实验二:采用实施例中的参数和步骤对工件4为100mm×100mm×40mm不锈钢钢板进行激光诱导冲击波辅助激光打孔加工,分别加工10个孔,其中5个孔分别加工3分钟,另外5个孔分别加工5分钟;同时,对比试验是将实现激光诱导冲击波的高能脉冲激光束B停止工作,采用相同的高能脉冲激光束A单独对相同尺寸的不锈钢板进行加工,也是加工10个孔,其中5个孔分别加工3分钟,另外5个孔加工5分钟。然后采用线切割工艺沿着孔径方向将孔一一切割开,再测量孔深。孔深如表3所示。
表3 最大孔深对比
从表3可以看出,采用本发明的方法和传统加工的方法进行激光打孔加工,加工3min和5min所产生的孔深基本一致,说明孔深已经达到了极限深度,后续的脉冲激光入射只会增加孔底的孔径,形成鼓形孔,而不会增加孔的深度。以加工3min的试验结果作为对比分析,可以发现,采用本发明的方法产生的极限深度平均值是29.8mm,而采用传统激光加工方法的极限深度平均值是23.3mm,本发明可使极限深度相对于传统激光加工增加了27.9%。
综上所述,本发明可使激光打孔速度提高46.3%,使孔壁上的重铸层厚度减少43.8%,同时,可使极限深度相对于传统激光加工增加27.9%,说明本发明能有效地提高打孔速度,减少重铸层的厚度,同时增加激光打孔的深度极限。

Claims (3)

1.一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法,其特征在于包括以下步骤: 
步骤一,在工件(4)下表面向下依次覆盖一层吸收层(6)和一层透明的约束层(7);
步骤二,将工件(4)固定在两个竖直且相对的激光头之间,保证两个激光头产生的高能脉冲激光A(1)和高能脉冲激光B(8)的中心与所需打的孔的中心在同一直线上,并使工件(4)覆盖有吸收层(6)的一侧朝下;
步骤三,设置工件(4)上下侧的激光器参数,使高能脉冲激光A(1)参数和高能脉冲激光B(8)参数满足加工要求;所述高能脉冲激光A(1)参数包括激光功率、激光脉宽、激光频率和激光离焦量;所述高能脉冲激光B(8)参数包括激光能量、脉冲宽度、激光频率;
步骤四,使高能脉冲激光A(1)位于工件(4)上侧并作用于工件(4)上表面使工件(4)上表面产生熔池;同时,使高能脉冲激光B(8)穿透约束层(7)作用于吸收层(6)诱导等离子体爆炸形成冲击波(5),冲击波(5)沿着工件(4)向上传播并在固液界面(3)处产生扰动,在固液界面(3)产生拉应力,拉应力迫使熔融材料(2)与工件(4)分离,从而使熔融材料(2)破碎并喷出孔外,形成孔穴;后续高能脉冲激光重复上述过程,直至孔深达到要求;
步骤五,取下工件(4),去除工件(4)下表面的吸收层(6)和约束层(7)。
2.如权利要求1所述的一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法,其特征在于:所述高能脉冲激光A(1)的激光功率为500W~5000W,激光脉宽为100ns~20ms,激光频率为10~200Hz,激光离焦量为2~-5mm。
3.如权利要求1所述的一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法,其特征在于:所述高能脉冲激光B(8)的激光能量为1~100J,脉冲宽度为10~30ns,激光频率为10~200Hz。
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