CN104043906B - 一种双激光系统打孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双激光系统打孔方法，首先利用功率密度低、脉宽长的脉冲激光辐照在工件表面产生熔池，并在熔池上方产生等离子体；然后功率密度高、脉宽短的脉冲激光作用于等离子体，等离子体吸收短脉冲高能激光后产生等离子体爆炸，爆炸产生的冲击波向孔内部和孔外两个方向传播，其中向内传播的冲击波作用于熔池，使熔融材料快速喷出孔外，如此重复，实现双激光系统打孔。采用本发明可以加速激光打孔速度，并获得深径比大、重铸层薄的高质量孔，可应用于中厚材的激光打孔加工。

Description

一种双激光系统打孔方法
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。当需要对中厚板（厚度大于数个mm的板）进行激光打孔时，由于高功率密度短脉冲打孔的效率极低（如纳秒激光器和飞秒激光器），通常采用低功率密度的脉冲激光进行打孔（功率密度通常为105W/cm2~106W/cm2）。
但是，现有的低功率密度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双激光系统打孔方法，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，将高功率密度纳秒激光作用于低功率密度激光器产生的蒸汽和等离子体，产生等离子爆炸，等离子爆炸产生的向内部传播的高压冲击波快速挤压熔池，使熔融材料以极快的速度溅射出孔外，最终熔池变成孔穴，具体技术方案如下：
一种双激光系统打孔方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，使低功率密度脉冲激光(1)和高功率密度脉冲激光(2)的中心与孔的中心在同一直线上；
步骤二，设置激光参数，使低功率密度脉冲激光(1)参数和高功率密度脉冲激光(2)参数满足加工要求；所述低功率密度脉冲激光(1)的参数包括激光功率、激光脉宽、激光频率和工件(3)表面的离焦量；所述高功率密度脉冲激光(2)的参数包括激光能量、脉冲宽度、激光频率；
步骤三，使低功率密度脉冲激光(1)作用于工件(3)表面产生熔池(8)，同时，熔池上方产生蒸汽和等离子体(6)；在低功率密度脉冲激光(1)作用即将结束时，使高功率密度脉冲激光(2)辐照在低功率密度脉冲激光(1)产生的蒸汽和等离子体(6)上，蒸汽和等离子体(6)继续吸收高功率密度脉冲激光(2)的能量产生等离子体爆炸，等离子体爆炸形成向孔内部传播的冲击波(7)和向孔外部传播的冲击波(5)；向孔内部传播的冲击波(7)挤压熔池(8)，使熔池(8)内的熔融材料以更快的速度沿孔壁(4)喷溅出孔外形成孔穴；重复上述过程，直至孔深达到要求。
所述低功率密度脉冲激光的功率密度为105W/cm2~106W/cm2，激光脉宽为100ns~20ms，激光频率为10~200Hz，工件离焦量为2~-5mm。
所述高功率密度脉冲激光(2)的功率密度为109W/cm2~1010W/cm2，脉冲宽度为5~30ns，激光重复频率为10~200Hz。
本发明的工作原理为：首先功率密度低、脉宽长的脉冲激光A辐照在工件表面产生熔池，并在熔池上方产生等离子体；然后功率密度高、脉宽短的脉冲激光B作用于等离子体，等离子体吸收短脉冲高能激光后产生等离子体爆炸，爆炸产生的冲击波向孔内部和孔外两个方向传播，其中向内传播的高压冲击波作用于熔池，使熔融材料以更快的速度喷出孔外，如此重复，实现双激光系统打孔。
本发明具有的有益效果。本发明通过利用高功率密度激光诱导的冲击波作用于低功率密度激光产生的熔池，极大地提高了打孔效率；与采用单一的低功率密度激光打孔方法相比，高功率密度激光诱导的高压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以更快的速度排除孔外，可增加激光打孔的深度极限值；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，从而可以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是双激光系统打孔原理图。
图中:1.低功率密度脉冲激光，2.高功率密度脉冲激光，3.工件，4.孔壁，5.向孔外部传播的冲击波，6.蒸汽和等离子体，7.向孔内部传播的冲击波，8.熔池。
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双激光系统打孔方法作进一步说明。
本发明的利用激光诱导冲击波辅助激光打孔的方法，其原理如图1所示。本发明涉及的结构包括低功率密度脉冲激光1、高功率密度脉冲激光2、工件3、孔壁4、向孔外部传播的冲击波5、蒸汽和等离子体6、向孔内部传播的冲击波7和熔池8，其中低功率密度脉冲激光和高功率密度脉冲激光的中心与孔的中心在同一直线上。本实施例中工件3为100mm×100mm×5mm的A3钢钢板；低功率密度脉冲激光1的脉宽为2ms，功率密度为3×105W/cm2，频率为30Hz，离焦量为0mm；高功率密度脉冲激光2的脉宽为10ns，功率密度为2×108W/cm2，频率为30Hz。
实施本发明的具体步骤如下：
步骤一，使低功率密度脉冲激光1和高功率密度脉冲激光2的中心与孔的中心在同一直线上；
步骤二，设置激光参数，使低功率密度脉冲激光1的参数和高功率密度脉冲激光2的参数满足加工要求；所述低功率密度脉冲激光的参数包括激光功率、激光脉宽、激光频率和工件表面的离焦量；所述高功率密度脉冲激光的参数包括激光能量、脉冲宽度、激光频率；
步骤三，使低功率密度脉冲激光1作用于工件表面产生熔池8，在低功率密度脉冲激光1作用即将结束时，使高功率密度脉冲激光2辐照在低功率密度脉冲激光产生的蒸汽和等离子体6上，重复上述过程，获得孔穴；
本发明的冲击波产生及作用机理是：首先功率密度低、脉宽长的脉冲激光1辐照在工件表面产生熔池8，并在熔池上方产生蒸汽和等离子体6；然后功率密度高、脉宽短的脉冲激光2作用于蒸汽和等离子体6，蒸汽和等离子体6吸收短脉冲高能激光2后产生等离子体爆炸，爆炸产生的冲击波向孔内部和孔外两个方向传播，其中向内传播的冲击波7以极高的压力作用于熔池，使熔融材料以更快的速度沿孔壁4快速喷出孔外，如此重复，实现双激光系统打孔。后续的脉冲重复上述过程，不断去除孔底部的熔融材料直至孔形达到要求为止。
为验证本发明的积极效果，下面安排了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A3钢钢板进行双激光系统打孔加工，分别加工5个孔；同时，对比试验是将高功率密度脉冲激光2停止工作，只采用相同参数的低功率密度激光1单独对相同厚度的A3钢钢板进行加工，分别加工5个孔。采用高速摄像机记录打孔过程用以统计激光打穿A3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。
从表1可以看出，采用本发明的双激光系统打孔方法的打孔平均时间为1.88s，而采用传统低功率密度的激光打孔方法的平均打孔时间为4.45s，由此可见，采用本发明可使激光打孔速度提高57.8%。
从表2可以看出，采用本发明的双激光系统打孔方法获得的重铸层平均厚度为37.8μm，而采用传统低功率密度的激光打孔方法的重铸层平均厚度为67.1μm，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43.7%。
实验二：采用实施例中的参数和步骤对工件4为100mm×100mm×40mm的A3钢钢板进行双激光系统打孔加工，分别加工10个孔，其中5个孔的打孔时间为1min，另外5个孔的打孔时间1.5min；同时，对比试验是将高功率密度脉冲激光2停止工作，只采用相同参数的低功率密度激光1单独对相同厚度的A3钢钢板进行加工，也是加工10个孔，其中5个孔的打孔时间为1min，另外5个孔的打孔时间1.5min。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。
从表3可以看出，采用本发明的打孔方法和传统的低功率密度的激光打孔方法进行激光打孔加工，加工1min和1.5min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。以加工时间为1min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29.7mm，而采用传统激光加工方法的极限深度平均值是22.4mm，本发明可使极限深度相对于传统低功率密度的激光打孔方法增加了27.9%；当加工时间为1.5min时，采用本发明已经打穿40mm厚钢板，而采用传统的低功率密度的激光打孔时，其打孔深度为22.6mm。
综上所述，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 (1)

1.一种双激光系统打孔方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，使低功率密度脉冲激光(1)和高功率密度脉冲激光(2)的中心与孔的中心在同一直线上；
步骤二，设置激光参数，使低功率密度脉冲激光(1)参数和高功率密度脉冲激光(2)参数满足加工要求；所述低功率密度脉冲激光(1)的参数包括激光功率、激光脉宽、激光频率和工件(3)表面的离焦量；所述高功率密度脉冲激光(2)的参数包括激光能量、脉冲宽度、激光频率；
所述低功率密度脉冲激光的功率密度为105W/cm2~106W/cm2，激光脉宽为100ns~20ms，激光频率为10~200Hz，工件离焦量为2~-5mm；
所述高功率密度脉冲激光(2)的功率密度为109W/cm2~1010W/cm2，脉冲宽度为5~30ns，激光重复频率为10~200Hz；
步骤三，使低功率密度脉冲激光(1)作用于工件(3)表面产生熔池(8)，同时，熔池上方产生蒸汽和等离子体(6)；在低功率密度脉冲激光(1)作用即将结束时，使高功率密度脉冲激光(2)辐照在低功率密度脉冲激光(1)产生的蒸汽和等离子体(6)上，蒸汽和等离子体(6)继续吸收高功率密度脉冲激光(2)的能量产生等离子体爆炸，等离子体爆炸形成向孔内部传播的冲击波(7)和向孔外部传播的冲击波(5)；向孔内部传播的冲击波(7)挤压熔池(8)，使熔池(8)内的熔融材料以更快的速度沿孔壁(4)喷溅出孔外形成孔穴；重复上述过程，直至孔深达到要求。
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