CN108393599A - 一种激光分段扫描微孔的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光分段扫描微孔的装置及方法，该方法包括：S1、首先对试样进行表面处理，将试样进行超声处理，然后干燥；S2、利用双因素实验方法，用纳秒激光器重复扫描不锈钢进行激光打孔，观察孔径的上下表面，计算相关锥度数值，找出在不同加工参数下的孔径质量因素最佳参数；S3、在目前最佳参数下，通过加工系统把参考参数进行分组并修改相关参数，让激光对不锈钢板材进行分段扫描，用加工的孔径与之前最佳参数下的孔径进行效果对比。本发明通过优化工艺技术来提高打孔孔径质量，减少金属材料的再铸层与熔渣快速堆积，在不添加其他额外装置使加工孔径圆的完整度大大提高，也减少孔径锥度，具有较好经济效益，使用设备简单，操作简单。

Description

一种激光分段扫描微孔的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光分段扫描微孔的装置及方法。

背景技术

航空、电子、仪器仪表、精密机械、自动控制及医疗器械等科学技术和工业生产的发展对微型加工的要求与应用也越来越广泛，例如微型孔等。现代制造业的工业生产中，工业产品不断向轻、薄、小的方向发展，工业产品的组成零件越来越趋向微型化，对微小孔径的加工精度要求越来越高，微型孔径的加工技术与加工质量也需要更高的要求。随着近代工业与科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料使用越来越多，然而传统的加工方式的局限性越来越明显。微型孔径采用传统的机械加工方式已经不能满足目前工艺要求，其加工质量远远无法符合生产要求，例如对高熔点的金属加工微米级孔，在高强度的碳化钨合金加工微米级孔等，用传统机械加工难以钻孔成功，但是采用现有的激光技术加工该类材料的加工难度会大大降低。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光作为一种热源作用于物质材料上并对材料进行加工。材料吸收高能量的激光后，被加热至汽化温度，蒸发从而形成孔径，这就是激光打孔技术。与常规打孔手段相比，激光打孔速度快，效率高，经济效益好，有较大的深径比，也能在硬、脆、软等各类材料加工，无工具损耗等。激光打孔是最早实用化的激光加工技术,正成为工业生产中最有效的微孔加工方法之一，成为改造传统加工的一种有效手段。激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著等优势,已成为现代制造领域的关键技术之一。目前激光打孔已用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴、宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等微小孔的加工中。

激光打孔技术虽然有很多优点，但是也不可避免地存在很多问题。如在纳秒激光加工下，其孔径周围存在冷却的熔融金属材料堆积。这些堆积的金属材料会形成再铸层和熔渣，会减少孔径实际大小，增加孔径锥度，孔的完整度。为了增加孔径质量，激光打孔技术需要优化。

在目前，激光打孔技术的优化主要是通过优化激光参数，材料表面涂覆，增加吹气装置等去减低熔融飞溅的金属材料。本发明采用现有激光加工技术利用优化后的激光参数用新的工艺方法使得激光打孔质量提高。

发明内容

有鉴于此，针对现有工艺技术的不足，本发明提出一种激光分段扫描微孔的装置及方法，可以有效减少激光打孔中的再铸层与熔渣的堆积，提供激光打孔的质量。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种激光分段扫描微孔的装置，包括激光器、升降平台、金属加工底座、加工系统、激光扫描头和光路调整系统；

所述加工系统用于调节激光器的开关与功率大小以及调节激光扫描头的扫描范围；

所述升降平台用于调节激光扫描头与金属加工底座的距离，以便调节激光光束的焦点位置；

所述金属加工底座用于放置试样；

所述激光器用于产生激光光束；

所述光路调整系统用于调整激光器产生激光光束的光路；

所述激光扫描头用于对金属加工底座上的试样进行激光扫描。

另一方面，本发明还提供一种激光分段扫描微孔的方法，包括如下步骤：

S1、首先对试样进行表面处理，将试样进行超声处理，然后干燥；

S2、利用双因素实验方法，用纳秒激光器重复扫描不锈钢进行激光打孔，观察孔径的上下表面，计算相关锥度数值，找出在不同加工参数下的孔径质量因素最佳参数；

S3、在目前最佳参数下，通过加工系统把参考参数进行分组并修改相关参数，让激光对不锈钢板材进行分段扫描，用加工的孔径与之前最佳参数下的孔径进行效果对比。

进一步地，步骤S1中，所述试样为304不锈钢、碳钢或合金钢，规格为100mm×100mm，厚度为0.5mm。

进一步地，步骤S1中，先对304不锈钢依次浸入三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声波清洗5分钟；

再放入真空干燥箱，此举为了清除粘附在304不锈钢表面的灰尘和杂质。

进一步地，步骤S2中，选取的激光加工因素为激光功率、激光扫描速度、脉冲重复频率。

进一步地，步骤S2中，选取的激光加工因素为激光功率为0-40w、激光扫描速度为0-100mm/s、脉冲重复频率为0-100Hz。

进一步地，步骤S2中，通过测量获得通孔的上下表面孔径、孔径锥度，并利用相关公式描述通孔质量，选取其中最佳的参数作为步骤S3的参考值，参考值激光功率为12.4w、激光扫描速度为46mm/s、脉冲重复频率为40Hz和扫描次数为10次。

进一步地，步骤S3中，激光打孔保持其他参数不变，增加4次激光扫描次数并减低其激光功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明利用不同的扫描方案通过激光分段扫描采用适当降低扫描激光能量使孔径周围的熔渣飞溅物料能充分析出并没有堆积孔径周围现象。本发明通过现有工艺技术提出新的解决方案使孔径有更好的质量。本发明在不添加其他额外装置使加工孔径圆的完整度大大提高，也减少孔径锥度。

本发明通过优化工艺技术来提高打孔孔径质量。在目前的激光打孔技术中，多数人采用的是使用额外装置或者增加涂覆涂层来改良打孔质量，但是本发明采用的是激光分段打孔，通过此工艺去减少金属材料的再铸层与熔渣快速堆积。本发明具有较好经济效益，使用设备简单，操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光分段扫描微孔的装置的结构示意图；

图2为本发明激光分段扫描微孔的方法的流程图；

图3为本发明实施不分段扫描激光器的功率参数分布示意图；

图4为本发明实施分段扫描激光器的功率参数分布示意图；

附图标记说明：

1、激光器；2、升降平台；3、金属加工底座；4、加工系统；5、激光扫描头；6、光路调整系统；7、激光光束。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种激光分段扫描微孔的装置，包括激光器1、升降平台2、金属加工底座3、加工系统4、激光扫描头5和光路调整系统6；

所述加工系统4用于调节激光器1的开关与功率大小以及调节激光扫描头5的扫描范围；

所述升降平台2用于调节激光扫描头5与金属加工底座3的距离，以便调节激光光束7的焦点位置；

所述金属加工底座3用于放置试样；

所述激光器1用于产生激光光束7；

所述光路调整系统6用于调整激光器1产生激光光束7的光路；

所述激光扫描头5用于对金属加工底座3上的试样进行激光扫描。

本发明所述激光器1的能量大小采用激光器1的功率表示，单位为W。

实施例2

如图2所示，本发明还提供一种激光分段扫描微孔的方法，包括如下步骤：

S1、首先对试样进行表面处理，将试样进行超声处理，然后干燥；

所述试样为304不锈钢、碳钢或合金钢，规格为100mm×100mm，厚度为0.5mm；

先对304不锈钢依次浸入三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声波清洗5分钟；

再放入真空干燥箱，此举为了清除粘附在304不锈钢表面的灰尘和杂质。

S2、利用双因素实验方法，用纳秒激光器重复扫描不锈钢进行激光打孔，观察孔径的上下表面，计算相关锥度数值，找出在不同加工参数下的孔径质量因素最佳参数；

选取的激光加工因素为激光功率、激光扫描速度、脉冲重复频率；

选取的激光加工因素为激光功率为0-40w、激光扫描速度为0-100mm/s、脉冲重复频率为0-100Hz；

通过测量获得通孔的上下表面孔径、孔径锥度，并利用相关公式描述通孔质量，选取其中最佳的参数作为步骤S3的参考值，参考值激光功率为12.4w、激光扫描速度为46mm/s、脉冲重复频率为40Hz和扫描次数为10次。

S3、在目前最佳参数下，通过加工系统把参考参数进行分组并修改相关参数，让激光对不锈钢板材进行分段扫描，用加工的孔径与之前最佳参数下的孔径进行效果对比。

激光打孔保持其他参数不变，增加4次激光扫描次数并减低其激光功率。

下面结合图1-图4举例说明：

(1)取304不锈钢，几何尺寸为长100mm、宽100mm、厚0.5mm，依次浸入三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、蒸馏水等溶液超声波清洗5分钟，将试样表面有机物和杂质清除，然后放置真空干燥箱干燥待用。

(2)把304不锈钢放置于金属加工底座3上，移动试样使激光器光束7光斑照射在304不锈钢表面上。

(3)在加工系统4上描绘适合的激光扫描路径。此次激光扫描采用轮廓迂回法在304不锈钢表面打微型孔径。在加工系统4上设置相关参数，通过变换不同的参数组合获得较佳打孔参数。较佳打孔参数如下：扫描速度22mm/s、功率12.4w、脉冲频率30kHz、扫描次数为10次，并在显微镜下对加工孔径进行观察其加工质量。

(4)保持较佳打孔参数的其他参数如扫描速度、脉冲频率不变、扫描次数不变，通过修改激光器1的功率获得激光作用在304不锈钢金属板上能产生有效加工作用的加工功率6w。

(5)在加工系统4把原有加工参数修改为9次，并保持其他参数不变。同时在加工系统上添加多次相同的扫描加工路径。本发明实例中的增加扫描次数5次，按照图4所示功率变化如下：11.12w、9.84w、8.56w、7.28w、6w。

本发明即是对激光打孔的深入研究，同时也提供了一种改善激光打孔质量的新思路。本发明适用于包括不锈钢，高温合金在内的各种碳钢、合金钢。

本发明通过加工系统利用不同的扫描方案通过激光分段扫描采用适当降低扫描激光能量使孔径周围的熔渣飞溅物料能充分析出并没有堆积孔径周围现象。本发明通过现有工艺技术提出新的解决方案使孔径有更好的质量。本发明在不添加其他额外装置使加工孔径圆的完整度大大提高，也减少孔径锥度。

本发明通过优化工艺技术来提高打孔孔径质量。在目前的激光打孔技术中，多数人采用的是使用额外装置或者增加涂覆涂层来改良打孔质量，但是本发明采用的是激光分段打孔，通过此工艺去减少金属材料的再铸层与熔渣快速堆积。本发明具有较好经济效益，使用设备简单，操作简单。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种激光分段扫描微孔的装置，其特征在于，包括激光器、升降平台、金属加工底座、加工系统、激光扫描头和光路调整系统；

所述加工系统用于调节激光器的开关与功率大小以及调节激光扫描头的扫描范围；

所述升降平台用于调节激光扫描头与金属加工底座的距离，以便调节激光光束的焦点位置；

所述金属加工底座用于放置试样；

所述激光器用于产生激光光束；

所述光路调整系统用于调整激光器产生激光光束的光路；

所述激光扫描头用于对金属加工底座上的试样进行激光扫描。

2.一种激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、首先对试样进行表面处理，将试样进行超声处理，然后干燥；

S2、利用双因素实验方法，用纳秒激光器重复扫描不锈钢进行激光打孔，观察孔径的上下表面，计算相关锥度数值，找出在不同加工参数下的孔径质量因素最佳参数；

S3、在目前最佳参数下，通过加工系统把参考参数进行分组并修改相关参数，让激光对不锈钢板材进行分段扫描，用加工的孔径与之前最佳参数下的孔径进行效果对比。

3.根据权利要求2所述的激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，步骤S1中，所述试样为304不锈钢、碳钢或合金钢，规格为100mm×100mm，厚度为0.5mm。

4.根据权利要求3所述的激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，步骤S1中，先对304不锈钢依次浸入三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声波清洗5分钟；

再放入真空干燥箱，此举为了清除粘附在304不锈钢表面的灰尘和杂质。

5.根据权利要求2所述的激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，步骤S2中，选取的激光加工因素为激光功率、激光扫描速度、脉冲重复频率。

6.根据权利要求5所述的激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，步骤S2中，选取的激光加工因素为激光功率为0-40w、激光扫描速度为0-100mm/s、脉冲重复频率为0-100Hz。

7.根据权利要求6所述的激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，步骤S2中，通过测量获得通孔的上下表面孔径、孔径锥度，并利用相关公式描述通孔质量，选取其中最佳的参数作为步骤S3的参考值，参考值激光功率为12.4w、激光扫描速度为46mm/s、脉冲重复频率为40Hz和扫描次数为10次。

8.根据权利要求2所述的激光分段扫描微孔的方法，其特征在于，步骤S3中，激光打孔保持其他参数不变，增加4次激光扫描次数并减低其激光功率。