CN106271057B - 一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置及方法，装置包括水容器装置，水容器装置固定在三轴工作台上，水容器装置通过水泵和水槽连接，水容器装置的一侧设有石英窗口，石英窗口处在纳秒激光器发出的激光穿过聚焦透镜后的激光光路上，水容器装置内部放置的待加工材料表面位于聚焦透镜的焦点处；方法是加工环境时序交替，通过水泵的正反转控制水容器装置中水量的多少，控制空气环境下的加工时间和水溶液环境下的加工时间，进而控制激光打孔所需的总时间，从而实现打孔过程中空气和水环境的改变，本发明结合了传统空气及水下激光打孔的优点，在保证加工效率的同时减少待加工材料表面和微孔内壁的熔渣堆积，改善了孔壁的粗糙度。

Description

一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置及方法
技术领域
本发明属于激光微加工技术领域，具体涉及一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置及方法。
背景技术
随着激光技术的迅速发展，激光先进制造与加工技术在汽车、机械、冶金化工、微电子及航空航天等领域展现出更广阔的应用前景。激光打孔作为激光加工技术的一个应用方向，在许多工业产品关键部件的精密微孔制作中得到了应用。针对航空发动机涡轮叶片气膜孔的加工，为了保证涡轮叶片能够在高温燃气中可靠工作，先进的涡轮叶片目前已普遍采用了表面喷涂陶瓷热障涂层(TBC)的镍基合金，而且涡轮通常都要采气膜孔的冷却手段。目前的工程实际中主要采用的还是圆孔，直径0.25mm-1.25mm，每台发动机的涡轮叶片上拥有3万个左右的气膜孔。气膜孔孔径小、数量多、质量要求高的特点使其成为叶片制造中的难点。目前气膜孔加工方法主要包括电火花打孔、电化学打孔、激光打孔。在这些加工工艺中激光加工优势明显，具有效率高而且质量好、非接触式处理、材料中输入热量低、钻孔的材料范围广的优点，同时易于和数控技术结合实现自动化，可以一次加工完成带热障涂层叶片上的气膜孔。从叶片制造技术发展来看，高能激光打孔将成为未来涡轮叶片气膜孔的主流加工技术。
针对激光涡轮叶片气膜孔加工，一些研究人员曾经采用大功率长脉冲激光来实现涡轮叶片气膜孔高效加工，但发现孔加工过程中会产生较厚的重铸层，其中分布有大量微裂纹，严重影响叶片使役性能。为了提高激光打孔的加工质量，避免空气环境下出现的氧化、空气击穿等现象，各国研究人员相继开展了溶液环境下激光烧蚀加工的实验探索。研究表明水环境能够减弱打孔过程中的等离子体屏蔽作用，水中空泡效应产生的射流和冲击波作用,对孔形起到了修饰作用。目前还没有加工环境为空气及水环境的时序变化的相关文献公开。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置及方法，结合了传统空气及水下激光打孔的优点，在保证加工效率的同时减少待加工材料表面和微孔内壁的熔渣堆积，改善了孔壁的粗糙度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置，包括水容器装置3，水容器装置3固定在三轴工作台4上，水容器装置3通过水泵6和水槽5连接，通过水泵6正反转将水槽5中的水抽入或排出水容器装置3，水容器装置3的一侧设有石英窗口，石英窗口处在纳秒激光器1发出的激光穿过聚焦透镜2后的激光光路上，水容器装置3内部放置的待加工材料表面位于聚焦透镜2的焦点处。
一种基于空气及水环境的时序激光打孔方法，包括以下步骤：
第一步，将水容器装置3固定在三轴工作台4上，水容器装置3通过管路及水泵6和水槽5连接；
第二步，从纳秒激光器1发出的激光通过聚焦透镜2照射在水容器装置3的石英窗口上，聚焦后的激光束透过石英窗口入射到水容器装置3内部放置的待加工材料表面；
第三步，加工环境时序交替，通过水泵6的正反转控制水容器装置3中水量的多少，控制空气环境下的加工时间A和水溶液环境下的加工时间W，进而控制激光打孔所需的总时间T，从而实现打孔过程中空气和水环境的改变。
本发明的优点：1)利用了激光在水溶液中空泡效应产生的射流和冲击波作用,对孔形起到了修饰作用，同时又减少了水对激光的吸收作用。该方法结合了传统空气及水下激光打孔的优点，在保证加工效率的同时提高了质量；2)本发明装置结构简单，操作方法易行。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为加工环境时序示意图。
图3为空气环境下激光烧蚀的微孔孔口及侧壁形貌。
图4为水环境下激光烧蚀的微孔孔口及侧壁形貌。
图5为环境时序下激光烧蚀的微孔孔口及侧壁形貌。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种基于空气及水环境的时序激光打孔装置，包括水容器装置3，水容器装置3固定在三轴工作台4上，水容器装置3通过水泵6和水槽5连接，通过水泵6正反转将水槽5中的水抽入或排出水容器装置3，水容器装置3的一侧设有石英窗口，石英窗口处在纳秒激光器1发出的激光穿过聚焦透镜2后的激光光路上，水容器装置3内部放置的待加工材料表面位于聚焦透镜2的焦点处。
一种基于空气及水环境的时序激光打孔方法，包括以下步骤：
第一步，参照图1，将水容器装置3固定在三轴工作台4上，水容器装置3通过管路及水泵6和水槽5连接；
第二步，从纳秒激光器1发出的激光通过聚焦透镜2照射在水容器装置3的石英窗口上，聚焦后的激光束透过石英窗口入射到水容器装置3内部放置的待加工材料表面；
第三步，参照图2，加工环境时序交替，通过水泵6的正反转控制水容器装置3中水量的多少，控制空气环境下的加工时间A和水溶液环境下的加工时间W，进而控制激光打孔所需的总时间T，从而实现打孔过程中空气和水环境的改变。
为了对比不同环境对激光加工的影响，将带热障涂层的镍基合金打孔实验分为三种类型：空气下的纳秒脉冲激光直冲式打孔，水下的纳秒脉冲激光直冲式打孔，以及空气和水环境交替时序下的纳秒脉冲激光直冲式打孔。
参照图3，空气环境下激光带热障涂层镍基合金打孔的孔口周围沉积大量飞溅物，材料堆积在孔边缘形成环形火山口状突起，孔壁及孔底轮廓十分粗糙，孔壁上有激光能量烧蚀形成的冲刷条纹。
参照图4，水环境下激光带热障涂层镍基合金打孔无论是孔口还是轮廓形貌都明显改善。由于激光空泡的脉动及其溃灭时在靶材面附近产生的射流和冲击波都将给靶材带来冲击力的作用,这通冲击力对材料有二次加工的效果。孔口没有出现材料堆积，但是由于侧壁约束了激光在水溶液中空泡效应产生的射流和冲击波作用，持续的冲击作用使侧壁出现了明显的水流冲击沟壑。
参照图5，空气和水环境交替时序下的激光带热障涂层镍基合金打孔的加工质量很好。相对与水环境下加工，孔口同样没有出现材料堆积，孔壁上没有冲刷条纹。圆度及孔壁粗糙度相对空气环境大幅改善。随着水下加工时间变长，孔径的变化不明显，但是孔深逐渐减小。环境时序利用了激光在水溶液中空泡效应产生的射流和冲击波作用,对孔形起到了修饰作用，同时又减少了水对激光的吸收作用。该环境时序激光加工方法结合了传统空气及水下激光打孔的优点，在保证加工效率的同时提高了质量。

Claims (1)

1.一种基于空气及水环境的时序激光打孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将水容器装置(3)固定在三轴工作台(4)上，水容器装置(3)通过管路及水泵(6)和水槽(5)连接；
第二步，从纳秒激光器(1)发出的激光通过聚焦透镜(2)照射在水容器装置(3)的石英窗口上，聚焦后的激光束透过石英窗口入射到水容器装置(3)内部放置的待加工材料表面；
第三步，加工环境时序交替，通过水泵(6)的正反转控制水容器装置(3)中水量的多少，控制空气环境下的加工时间A和水溶液环境下的加工时间W，进而控制激光打孔所需的总时间T，从而实现打孔过程中空气和水环境的改变；
上述方法使用的装置包括水容器装置(3)，水容器装置(3)固定在三轴工作台(4)上，水容器装置(3)通过水泵(6)和水槽(5)连接，通过水泵(6)正反转将水槽(5)中的水抽入或排出水容器装置(3)，水容器装置(3)的一侧设有石英窗口，石英窗口处在纳秒激光器(1)发出的激光穿过聚焦透镜(2)后的激光光路上，水容器装置(3)内部放置的待加工材料表面位于聚焦透镜(2)的焦点处。
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