CN103753028A - 一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法，包括如下步骤：（1）将工件装夹在电场磁场耦合辅助激光打孔装置上；（2）通过控制电路控制旋转磁场生成单元和电场生成单元的分别产生旋转磁场和旋转电场，且电场方向时刻与磁场方向保持垂直；（3）开启激光器，激光器产生的激光束通过聚焦透镜作用于工件的表面，同时向工件的表面吹气，使工件在旋转磁场、旋转电场、激光束和热电离气体的共同作用下完成激光打孔。该方法利用带电粒子在磁场中的运动原理，及旋转磁场在导体中产生的自感电流，控制激光打孔过程中产生的等离子体及熔融金属的运动，以实现优化激光打孔效果的目的。同时本发明还提供了一种电场磁场耦合辅助激光打孔装置。

Description

一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法及装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法及装置。

背景技术

随着微机电技术（MEMS）的不断发展，以及对传统产品的小型化、轻量化设计，人们对微细孔加工技术的要求越来越高，传统的机械加工方法已经无法满足微细孔的加工要求，迫切需要一种新的微细孔加工技术。激光打孔是现代制造技术领域的关键技术之一，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，已得到了广泛的应用，例如飞机发动机蜗轮叶片散热孔的加工。

现有的激光打孔方法一般是将激光束聚焦于工件表面或者表面以下某个位置，以足够高的功率密度加热和熔化材料，随后材料以液态和气态形式喷射出去达到材料去除的目的，在此过程中，通常在打孔位置喷射高压辅助气体以提高打孔效率和打孔效果。但是现有的激光打孔方法具有以下缺点：1.激光打孔过程中等离子屏蔽效应严重，导致激光能量的损耗；2.加工后孔壁存在厚度不均的再铸层而影响孔的质量；3.高能量长脉冲的激光打孔过程中产生的冲击力过大导致加工出的孔重复精度低，孔壁存在微裂纹，孔的质量难以提高。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法；该方法利用带电粒子在磁场中的运动原理，及旋转磁场在导体中产生的自感电流，控制激光打孔过程中产生的等离子体及熔融金属的运动，以实现优化激光打孔效果的目的。同时本发明还提供了一种电场磁场耦合辅助激光打孔装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法，包括如下步骤：

步骤1：将工件装夹在电场磁场耦合辅助激光打孔装置上；

所述电场磁场耦合辅助激光打孔装置包括电源、控制电路、旋转磁场生成单元、工件装夹单元和电场生成单元；

所述电源通过电缆与控制电路相连，控制电路通过导线分别与旋转磁场生成单元和电场生成单元连接，工件装夹单元固定在旋转磁场生成单元和电场生成单元的水平中心位置；

所述旋转磁场生成单元用于产生旋转磁场，由线圈、铁芯和底座组成，所述底座为圆槽形，在底座内壁上设有均匀分布的6个铁芯，每个铁芯间相隔60°，铁芯两两相对，线圈缠绕在铁芯上，且线圈缠绕方向一致，使两两相对的线圈产生的磁极相异；

所述电场生成单元用于产生旋转电场，由电板、电板支架和导线组成，所述电板支架呈圆周均布在底座内，每个电板支架间相隔60°，电板支架两两相对，且每个电板支架与相邻铁芯成30°夹角，电板固定在电板支架上；

所述工件装夹单元包括工件夹具和紧定螺钉，所述工件夹具固定在底板中心上，处于旋转磁场生成单元和电场生成单元的中心位置，工件夹具上设有紧定螺钉；工件通过紧定螺钉固定在工件夹具上；

步骤2：通过控制电路控制旋转磁场生成单元和电场生成单元的工作，使旋转磁场生成单元产生旋转磁场，同时电场生成单元产生旋转电场，且电场方向时刻与磁场方向保持垂直；

步骤3：开启激光器，激光器产生的激光束通过聚焦透镜作用于工件的表面，同时向工件的表面吹气，使工件在旋转磁场、旋转电场、激光束和热电离气体的共同作用下完成激光打孔。

本发明还提供了一种电场磁场耦合辅助激光打孔装置，包括电源、控制电路、旋转磁场生成单元、工件装夹单元和电场生成单元；

所述电源通过电缆与控制电路相连，控制电路通过导线分别与旋转磁场生成单元和电场生成单元连接，工件装夹单元固定在旋转磁场生成单元和电场生成单元的水平中心位置；

所述旋转磁场生成单元用于产生旋转磁场，由线圈、铁芯和底座组成，所述底座为圆槽形，在底座内壁上设有均匀分布的6个铁芯，每个铁芯间相隔60°，铁芯两两相对，线圈缠绕在铁芯上，且线圈缠绕方向一致，使两两相对的线圈产生的磁极相异；

所述电场生成单元用于产生旋转电场，由电板、电板支架和导线组成，所述电板支架呈圆周均布在底座内，每个电板支架间相隔60°，电板支架两两相对，且每个电板支架与相邻铁芯成30°夹角，电板固定在电板支架上；

所述工件装夹单元包括工件夹具和紧定螺钉，所述工件夹具固定在底板中心上，处于旋转磁场生成单元和电场生成单元的中心位置，工件夹具上设有紧定螺钉；工件通过紧定螺钉固定在工件夹具上。

进一步的，所述控制电路是可输出时序电压的控制电路。

进一步的，所述底座的底部设有1～6个出线口，线圈和电板的导线从出线口引出。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过施加与打孔方向相垂直的磁场控制打孔过程中产生的等离子体的运动，使其避开激光入射方向，削弱了激光入射方向等离子体的密度，减少了激光能量的损失，同时也减少了辅助气体与激光相互作用产生的热电离气体密度，提高了打孔效率，同时也增加了激光打孔辅助气体的可选种类，使得一些电离度较高不能应用于激光打孔的辅助气体也可以得到应用。

2、本发明通过控制等离子体的运动使其脱离孔内后迅速散开，减小了孔口压力，使孔内金属熔液、等离子体能够更迅速地喷出，加速打孔过程。同时由于等离子的迅速喷出，减小了打孔过程中产生的冲击力，降低了孔壁产生微裂纹的概率，提高了打孔质量。

3、本发明通过旋转磁场对孔内熔融金属的搅拌，使其均匀附着在孔壁上，修复孔壁的微裂纹，减小了打孔过程的随机性，提高了打孔重复性精度和孔的圆度精度。

4、本发明通过旋转电场、磁场对等离子体的作用，使其在孔内与电场磁场一起转动，增强了其与孔壁的热耦合效应，使熔融金属的量增多，增加了单个脉冲激光的材料去除率，加快了打孔速度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述打孔装置的结构图；

图2是本发明旋转磁场生成单元的俯视图；

图3是本发明旋转磁场生成单元的主视图；

图4是本发明的接线原理图；

图5是本发明各导线输出电压的时序图；

图6是本发明所述激光打孔方法的原理图；

图中各标号的含义如下：

1、电源，2、控制电路，3、旋转磁场生成单元，4、电缆，5、导线，6、工件装夹单元，7、电场生成单元，8、线圈，9、电板，10、紧定螺钉，11、激光束，12、聚焦透镜，13、工件，14、电板支架，15、出线口，16、工件夹具，17、底板，18、铁芯，19、磁场旋转方向，20、磁场，21、等离子体，22、熔融金属，23、电场。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明提供的电场磁场耦合辅助激光打孔装置，包括电源1、控制电路2、旋转磁场生成单元3、工件装夹单元6和电场生成单元7，其中，电源1通过电缆4与控制电路2相连，控制电路2通过导线5分别与旋转磁场生成单元3和电场生成单元7连接，工件装夹单元6固定在旋转磁场生成单元3和电场生成单元7的水平中心位置；

所述旋转磁场生成单元3是由线圈8、铁芯18和底座17组成，其中，底座17为圆槽形，在底座内壁上设有均匀分布的6个铁芯18，每个铁芯18间相隔60°，铁芯18两两相对，线圈8缠绕在铁芯18上，且线圈缠绕方向一致，使两两相对的线圈8产生的磁极相异；旋转磁场生成单元3产生的旋转磁场的强度是通过电流强度和线圈6的圈数决定的，旋转磁场的速度是由控制电路2输出的电压时序的周期决定的。

所述电场生成单元7是由电板9、电板支架14和导线5组成，其中，电板支架14呈圆周均布在底座17内，每个电板支架14间相隔60°，电板支架14两两相对，且每个电板支架14与相邻铁芯18成30°夹角，电板9固定在电板支架14上；

所述工件装夹单元6包括工件夹具16、紧定螺钉10，其中，工件夹具16固定在底板17中心上，处于旋转磁场生成单元3和电场生成单元7的中心位置，工件夹具16上设有紧定螺钉10。

所述控制电路2是可输出时序电压的控制电路。所述线圈8的线圈数是可改变的，同时通过线圈8的电流是可设置的。所述底座17的底部设有1～6个出线口15，线圈8和电板9的导线可从出线口15引出。

上述装置的接线方式如图4所示，将导线5按照A、A’、a、a’、B、B’、b、b’、C、C’、c、c’的顺序连接至控制电路2上，其中，A、A’、B、B’、C、C’为各线圈；a、a’、b、b’、c、c’为各金属板引出的导线。

以A、A’、a、a’为例，这四根导线分别对应图中上下两个线圈A、A’，及左右两块金属板a、a’引出的导线，控制电路控制电流从A流入，A’流出，保持a、a’间电势差a>a’，同时保证线圈的旋向是一致的，保证相对的线圈产生互异的磁极，这样就形成了一对相互垂直的磁场与电场。

控制电路2输出的电压时序图如图5所示，其中两虚线间的区域为一个周期；控制电路2依次向导线A、A’、a、a’、B、B’、b、b’、C、C’、c、c’中送入电压，这样就依次实现了磁场，电场的旋转。

本发明提供的电场磁场耦合辅助激光打孔方法具体包括如下步骤：

（1）将尺寸为50mm×50mm×10mm的工件13装夹在处于旋转磁场生成单元3中间位置的工件夹具16上，保证工件13与旋转磁场生成单元3、电场生成单元7在同一水平面内；将旋转磁场生成单元3和电场生成单元7分别与控制电路2相连，控制电路2与电源1相连；

所设置的磁场参数具体包括线圈匝数为50圈、线圈通过电流1A、控制电路2中电压时序周期为1s，则旋转磁场的转速60r/min；所设置的电场强度参数包括施加在电板两侧的电压为110V，电板间距离为60mm；

（2）通过控制电路2控制旋转磁场生成单元3和电场生成单元7的工作，使旋转磁场生成单元3产生旋转磁场，同时电场生成单元7产生旋转电场，且电场方向时刻与磁场方向保持垂直；

（3）开启激光器，激光器产生的激光束11通过聚焦透镜12作用于工件13的表面，同时向工件13的表面吹气，使工件13在旋转磁场、旋转电场、激光束11和热电离气体的共同作用下完成激光打孔。所设置的激光参数包括激光功率2000W，激光脉宽0.5ms，激光频率100Hz，激光离焦量0。

本发明所述激光打孔的工作原理如图6所示，根据带电粒子在磁场中运动的规律，当带电粒子以速度v进入一均匀磁场中时，它将收到力F=qv×Bq为粒子带电量）的作用，该力总与带电粒子的速度方向相垂直，故进入磁场的带电粒子的运动方向将发生改变，带电粒子将在垂直于磁场平面内作圆周运动，且正负粒子作相反方向的圆周运动。由于在打孔过程中，等离子体21在孔内急剧膨胀，使孔内压力达到极值后发生爆炸喷出孔外，因此在等离子体21喷出孔外的瞬间，等离子体21中的带电粒子的运动方向可近似的看成与激光入射方向相同。若存在一个与打孔方向相垂直的磁场20，等离子体21中的正负带电粒子将会改变运动方向，向打孔方向的两侧做圆周运动，当磁场方向如图6所示垂直于纸面入射时，等离子体21中的正电粒子向左偏离中心位置，等离子体21中的负点粒子向右偏离中心位置，因此，等离子体21避开了激光入射方向，减少了对激光能量的再吸收，同时也急剧减少了孔口附近的压力，使孔内的熔融金属22、等离子体21能更高效的排出孔外。通过旋转的磁场使工件13中产生感应电流，从而使得加工过程中的熔融金属22中有电流通过，电流与磁场相互作用产生的电磁力对熔融金属22形成搅拌作用，搅拌方向与磁场旋转方向19一致，使其呈螺旋状喷射而出，均匀的附着在孔壁上。

当带电粒子进入一个电场强度为E匀强静电场时它将受到力F=qE作用，其受力方向平行于电场线方向。从前面的分析可知当存在一个与打孔方向相垂直的磁场20存在时，等离子体21中的带电粒子将向打孔方向的两侧做圆周运动，即当带电粒子刚偏离激光入射方向时其速度方向垂直于激光入射方向，也垂直于磁场方向。此时若存在一个与磁场方向相垂直的电场23，电场力将对带电粒子起加速作用。带电粒子在磁场中做圆周运动的半径为电场的存在将扩大其旋转半径使其加速其偏离激光入射方向，更好减少等离子体对激光能量的吸收。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (4)

1.一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将工件（13）装夹在电场磁场耦合辅助激光打孔装置上；

所述电场磁场耦合辅助激光打孔装置包括电源（1）、控制电路（2）、旋转磁场生成单元（3）、工件装夹单元（6）和电场生成单元（7）；

所述电源（1）通过电缆（4）与控制电路（2）相连，控制电路（2）通过导线（5）分别与旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）连接，工件装夹单元（6）固定在旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）的水平中心位置；

所述旋转磁场生成单元（3）用于产生旋转磁场，由线圈（8）、铁芯（18）和底座（17）组成，所述底座（17）为圆槽形，在底座内壁上设有均匀分布的6个铁芯（18），每个铁芯（18）间相隔60°，铁芯（18）两两相对，线圈（8）缠绕在铁芯（18）上，且线圈（8）缠绕方向一致，使两两相对的线圈（8）产生的磁极相异；

所述电场生成单元（7）用于产生旋转电场，由电板（9）、电板支架（14）和导线（5）组成，所述电板支架（14）呈圆周均布在底座（17）内，每个电板支架（14）间相隔60°，电板支架（14）两两相对，且每个电板支架（14）与相邻铁芯（18）成30°夹角，电板（9）固定在电板支架（14）上；

所述工件装夹单元（6）包括工件夹具（16）和紧定螺钉（10），所述工件夹具（16）固定在底板（17）中心上，处于旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）的中心位置，工件夹具（16）上设有紧定螺钉（10）；工件（13）通过紧定螺钉（10）固定在工件夹具（16）上；

步骤2：通过控制电路（2）控制旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）的工作，使旋转磁场生成单元（3）产生旋转磁场，同时电场生成单元（7）产生旋转电场，且电场方向时刻与磁场方向保持垂直；

步骤3：开启激光器，激光器产生的激光束（11）通过聚焦透镜（12）作用于工件（13）的表面，同时向工件（13）的表面吹气，使工件（13）在旋转磁场、旋转电场、激光束和热电离气体的共同作用下完成激光打孔。

2.一种电场磁场耦合辅助激光打孔装置，其特征在于，包括电源（1）、控制电路（2）、旋转磁场生成单元（3）、工件装夹单元（6）和电场生成单元（7）；

所述电源（1）通过电缆（4）与控制电路（2）相连，控制电路（2）通过导线（5）分别与旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）连接，工件装夹单元（6）固定在旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）的水平中心位置；

所述旋转磁场生成单元（3）用于产生旋转磁场，由线圈（8）、铁芯（18）和底座（17）组成，所述底座（17）为圆槽形，在底座内壁上设有均匀分布的6个铁芯（18），每个铁芯（18）间相隔60°，铁芯（18）两两相对，线圈（8）缠绕在铁芯（18）上，且线圈（8）缠绕方向一致，使两两相对的线圈（8）产生的磁极相异；

所述电场生成单元（7）用于产生旋转电场，由电板（9）、电板支架（14）和导线（5）组成，所述电板支架（14）呈圆周均布在底座（17）内，每个电板支架（14）间相隔60°，电板支架（14）两两相对，且每个电板支架（14）与相邻铁芯（18）成30°夹角，电板（9）固定在电板支架（14）上；

所述工件装夹单元（6）包括工件夹具（16）和紧定螺钉（10），所述工件夹具（16）固定在底板（17）中心上，处于旋转磁场生成单元（3）和电场生成单元（7）的中心位置，工件夹具（16）上设有紧定螺钉（10）；工件（13）通过紧定螺钉（10）固定在工件夹具（16）上。

3.根据权利要求2所述的电场磁场耦合辅助激光打孔装置，其特征在于，所述控制电路（2）是可输出时序电压的控制电路。

4.根据权利要求2所述的电场磁场耦合辅助激光打孔装置，其特征在于，所述底座（17）的底部设有1～6个出线口（15），线圈（8）和电板（9）的导线从出线口（15）引出。

Images