CN106735943B - 一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置及其方法 - Google Patents

一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置及其方法，包括长脉冲激光器、第一扩束器、CCD相机、反射平面镜、透射/反射平面镜、凸透镜、第二扩束器、连续激光器、长脉冲激光控制器、连续激光控制器、工件、夹具、可移动工作台、工作台控制器和计算机；采用激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，其主要原理是在长脉冲激光器对工件加工之前，加工过程中以及加工之后的一段时间，采用连续激光器对工件上表面要加工区域进行加热，即在激光打孔过程起到预热和缓冷的作用。本发明有效的缓解了目前长脉冲激光打孔后孔壁上易出现微裂纹的现象，使工件具有更高的加工质量。

Description

一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置及其方法
技术领域
本发明属于激光打孔领域，特别是涉及一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置及其方法。
背景技术
长脉冲激光打孔技术是指利用长脉冲激光束照射工件表面，因为聚焦后的激光束能量密度极高，在焦点位置的温度会瞬间达到数千摄氏度，工件材料在这种高温的作用下会被迅速的熔化、汽化，这时汽化的金属会带着熔融的金属喷射而出从而形成了孔。
长脉冲激光打孔技术是一种新型特种加工技术，具有打孔速度快、经济效益高、加工材料范围广、无污染等优点，尤其在航天航空工业的激光群孔加工中具有明显的优势。
但是材料在长脉冲激光打孔过程中会经历高温烧融和冷却凝结的复杂过程，尤其是在长脉冲激光作用时急剧升温，在长脉冲激光作用后又急剧冷却，使得所加工的小孔质量差，甚至孔壁上会出现很多微裂纹，这对于零件的质量是极为不利的，同时也限制了长脉冲激光打孔在工业中的广泛应用。专利号为CN103769754B的中国专利《基于温升调控的靶丸微孔激光加工方法与装置》提出了一套应用于靶丸微孔激光加工的系统，其将靶丸放置在具有加热功能的吸盘上，利用紫外激光，超脉冲激光或飞秒激光与靶丸作用进行打孔。但是该专利提出的方法和装置仅适用于紫外激光，超短脉冲激光或飞秒激光，并不适应于长脉冲激光，而且该具有吸热功能的吸盘不能够实现局部加热。专利申请号为201310683935.X的中国专利《激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法》提出了一套应用于激光切割的系统，其通过激光切割预处理装置对待切割工件进行局部加热预处理，以消除待切割工件内部的内应力。但是该专利提出的方法和装置仅适用于消除激光切割产生的内应力，没有对加工过程及加工后的冷却过程进行控制，且需要从背面将材料加热至固液混合相区，因此并不适应于长脉冲激光打孔，更不能够消除激光打孔产生的微裂纹。
发明内容
本发明为了解决目前长脉冲激光打孔质量低和容易出现微裂纹的问题，提供一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置及其方法。
本发明的技术方案是：一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置，包括长脉冲激光器、第一扩束器、CCD相机、反射平面镜、透射/反射平面镜、凸透镜、第二扩束器、连续激光器、长脉冲激光控制器、连续激光控制器、工件、夹具、可移动工作台、工作台控制器和计算机；
所述CCD相机位于最上方、且与计算机电连接，CCD相机正下方依次放置反射平面镜、透射/反射平面镜、凸透镜和工件；所述工件固定在夹具上，所述夹具的底部固定在可移动工作台上；
所述长脉冲激光器、第一扩束器和反射平面镜依次位于同一光路上；所述长脉冲激光控制器的一端与长脉冲激光器电连接，另一端与计算机电连接；
所述连续激光器、第二扩束器和透射/反射平面镜依次位于另一光路上；所述连续激光控制器的一端与连续激光器电连接，另一端与计算机电连接；
所述工作台控制器的一端与可移动工作台电连接，另一端与计算机电连接。
上述方案中，所述反射平面镜与水平方向呈45度角；所述长脉冲激光器发射的激光依次通过第一扩束器和反射平面镜照在透射/反射平面镜上。
上述方案中，所述透射/反射平面镜上接收面与垂直方向呈135度角；一方面所述长脉冲激光器发射的激光依次通过第一扩束器、反射平面镜、透射/反射平面镜和凸透镜作用在工件上；另一方面连续激光器发射的激光依次通过第二扩束器、透射/反射平面镜下接受面和凸透镜作用在工件上。
一种利用所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，在长脉冲激光器对工件加工之前、加工过程中以及加工之后的一段时间，采用连续激光器对工件上表面要加工区域进行加热，具体包括以下步骤：
S1、对工件表面进行研磨抛光处理；
S2、将工件固定在夹具上，夹具固定在可移动工作台上；
S3、在CCD相机监测下，利用工作台控制器控制可移动工作台，调整工件的位置；
S4、通过连续激光控制器设定连续激光器输出用于加热作用的低能量连续激光束的输出参数；
S5、通过长脉冲激光控制器设定长脉冲激光器输出用于打孔作用的高能量脉冲激光束的输出参数；
S6、打开连续激光器对工件待加工位置进行加热，加热时间由计算机控制；
S7、加热一段时间后，打开长脉冲激光器对工件待加工位置输出长脉冲激光束，在材料加工区域形成小孔；
S8、关闭长脉冲激光器并在间隔一段时间后关闭连续激光器；
S9、在CCD相机监测下，利用工作台控制器控制可移动工作台移动到下一个位置；
S10、重复以上步骤，对工件下一个位置进行加工。
上述方案中，所述长脉冲激光器是指脉冲宽度在1～100ms的激光器。
上述方案中，所述连续激光器是指能够连续发射激光的激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用连续激光对加工区域进行局部加热，对材料其余部分不会产生影响，提高了材料对长脉冲激光的吸收率，降低了工件的烧蚀阈值，提高了材料的去除效率。
2.采用连续激光对加工区域进行加热还有效的缓解了工件加工区域在长脉冲激光作用时急剧升温，在长脉冲激光作用后又急剧冷从而产生微裂纹的现象，使工件具有更高的加工质量。
3.本发明自动化程度较高，只需将工件定位好，通过计算机编程便可以实现自动化加工。
附图说明
图1为本发明一实施方式的一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的示意图。
图中，1.计算机，2.工作台控制器，3.连续激光控制器，4.连续激光器，5.扩束器2，6.透射/反射平面镜，7.反射平面镜，8.扩束器1，9.长脉冲激光器，10.凸透镜，11.长脉冲激光控制器，12.夹具，13.工件，14.可移动工作台，15.CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例一：
一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置，包括长脉冲激光器9、第一扩束器8、CCD相机15、反射平面镜7、透射/反射平面镜6、凸透镜10、第二扩束器5、连续激光器4、长脉冲激光控制器11、连续激光控制器3、工件13、夹具12、可移动工作台14、工作台控制器2和计算机1；
所述CCD相机15位于最上方、且与计算机1电连接，CCD相机15正下方依次放置反射平面镜7、透射/反射平面镜6、凸透镜10和工件13；所述工件13固定在夹具12上，所述夹具12的底部固定在可移动工作台14上；
所述长脉冲激光器9、第一扩束器8和反射平面镜7依次位于同一光路上；所述长脉冲激光控制器11的一端与长脉冲激光器9电连接，另一端与计算机1电连接；
所述连续激光器4、第二扩束器5和透射/反射平面镜6依次位于另一光路上；所述连续激光控制器3的一端与连续激光器4电连接，另一端与计算机1电连接；
所述工作台控制器2的一端与可移动工作台14电连接，另一端与计算机1电连接。
所述长脉冲激光器9发射的激光依次通过第一扩束器8、反射平面镜7、透射/反射平面镜6和凸透镜10作用在工件13上；另一方面连续激光器4发射的激光依次通过第二扩束器5、透射/反射平面镜6下接受面和凸透镜10作用在工件13上。
实施例二：
一种利用实施例一所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，在长脉冲激光器9对工件13加工之前、加工过程中以及加工之后的一段时间，采用连续激光器4对工件13上表面要加工区域进行加热，长脉冲激光器9是指脉冲宽度在1～100ms左右的激光器；连续激光器4是指能够连续发射激光的激光器；通过CCD相机15实时监测加工情况。具体包括以下步骤：
S1、对工件13表面进行研磨抛光处理；
S2、将工件13固定在夹具12上，夹具12固定在可移动工作台14上；
S3、在CCD相机15监测下，利用工作台控制器2控制可移动工作台14，调整工件13的位置；
S4、通过连续激光控制器3设定连续激光器4输出用于加热作用的低能量连续激光束的输出参数；
S5、通过长脉冲激光控制器11设定长脉冲激光器9输出用于打孔作用的高能量脉冲激光束的输出参数；
S6、打开连续激光器4对工件13待加工位置进行加热，加热时间由计算机1控制；
S7、加热一段时间后，打开长脉冲激光器9对工件13待加工位置输出长脉冲激光束，在材料加工区域形成小孔；
S8、关闭长脉冲激光器9并在间隔一段时间后关闭连续激光器4；
S9、在CCD相机15监测下，利用工作台控制器2控制可移动工作台14移动到下一个位置；
S10、重复以上步骤，对工件13下一个位置进行加工。
上述技术方案体现了本发明专利的优选方案，本技术领域的技术人员对部分功能进行修改体现本专利原理的，属于本专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置包括长脉冲激光器(9)、第一扩束器(8)、CCD相机(15)、反射平面镜(7)、透射/反射平面镜(6)、凸透镜(10)、第二扩束器(5)、连续激光器(4)、长脉冲激光控制器(11)、连续激光控制器(3)、工件(13)、夹具(12)、可移动工作台(14)、工作台控制器(2)和计算机(1)；
所述CCD相机(15)位于最上方、且与计算机(1)电连接，CCD相机(15)正下方依次放置反射平面镜(7)、透射/反射平面镜(6)、凸透镜(10)和工件(13)；所述工件(13)固定在夹具(12)上，所述夹具(12)的底部固定在可移动工作台(14)上；
所述长脉冲激光器(9)、第一扩束器(8)和反射平面镜(7)依次位于同一光路上；所述长脉冲激光控制器(11)的一端与长脉冲激光器(9)电连接，另一端与计算机(1)电连接；
所述连续激光器(4)、第二扩束器(5)和透射/反射平面镜(6)依次位于另一光路上；所述连续激光控制器(3)的一端与连续激光器(4)电连接，另一端与计算机(1)电连接；
所述工作台控制器(2)的一端与可移动工作台(14)电连接，另一端与计算机(1)电连接；
在长脉冲激光器(9)对工件(13)加工之前、加工过程中以及加工之后的一段时间，采用连续激光器(4)对工件(13)上表面要加工区域进行加热，所述打孔方法具体包括以下步骤：
S1、对工件(13)表面进行研磨抛光处理；
S2、将工件(13)固定在夹具(12)上，夹具(12)固定在可移动工作台(14)上；
S3、在CCD相机(15)监测下，利用工作台控制器(2)控制可移动工作台(14)，调整工件(13)的位置；
S4、通过连续激光控制器(3)设定连续激光器(4)输出用于加热作用的低能量连续激光束的输出参数；
S5、通过长脉冲激光控制器(11)设定长脉冲激光器(9)输出用于打孔作用的高能量脉冲激光束的输出参数；
S6、打开连续激光器(4)对工件(13)待加工位置进行加热，加热时间由计算机(1)控制；
S7、加热一段时间后，打开长脉冲激光器(9)对工件(13)待加工位置输出长脉冲激光束，在材料加工区域形成小孔；
S8、关闭长脉冲激光器(9)并在间隔一段时间后关闭连续激光器(4)；
S9、在CCD相机(15)监测下，利用工作台控制器(2)控制可移动工作台(14)移动到下一个位置；
S10、重复以上步骤，对工件(13)下一个位置进行加工。
2.根据权利要求1所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，所述反射平面镜(7)与水平方向呈45度角；所述长脉冲激光器(9)发射的激光依次通过第一扩束器(8)和反射平面镜(7)照在透射/反射平面镜(6)上。
3.根据权利要求1所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，所述透射/反射平面镜(6)上接收面与垂直方向呈135度角；一方面所述长脉冲激光器(9)发射的激光依次通过第一扩束器(8)、反射平面镜(7)、透射/反射平面镜(6)和凸透镜(10)作用在工件(13)上；另一方面连续激光器(4)发射的激光依次通过第二扩束器(5)、透射/反射平面镜(6)下接受面和凸透镜(10)作用在工件(13)上。
4.根据权利要求1所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，所述长脉冲激光器(9)是指脉冲宽度在1～100ms的激光器。
5.根据权利要求1所述激光辅助加热长脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，所述连续激光器(4)是指能够连续发射激光的激光器。
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