CN109175733B - 一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置及方法 - Google Patents

一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置及方法，涉及激光加工领域，装置包括激光器、聚焦透镜、半透镜、第一光敏传感器、储气仓、气压传感器、控制器、电压阀、CCD相机、夹具和第二光敏传感器；激光器产生的激光被半透镜分为两束，第一光敏传感器、第二光敏传感器用于在线检测激光信号，CCD相机用于观察小孔的深度，控制器根据检测信号实时控制电压阀的开关以及气体的输出压力。该方法和装置能够提高熔融物的去除效率，减少因熔融物堆积造成的重铸层和微裂纹，改善激光打孔质量。该装置适用于在长脉冲红外激光器上进行激光打孔。

Description

一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光制造加工领域，具体涉及一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置及方法。
背景技术
在长脉冲激光打孔中，材料主要以熔融物喷发的方式去除。因此，熔融物的喷发效率是影响激光打孔质量的关键因素。熔融物的喷发一方面依靠内部形成的高温高压环境由内向外喷出，另一方面由气体辅助吹除。然而，在气体辅助长脉冲激光打孔过程中，熔融物自下而上喷发，气体自上而下吹出，并且气体从喷嘴吹出散射后几乎完全覆盖小孔，熔融物的喷出受到限制，残留在孔壁的熔融物将重新凝固形成重铸层，甚至诱发基体产生微裂纹，这严重影响了激光打孔的质量。另外，打孔过程中随着小孔深度的增加，小孔底部熔融物的喷发所需要的能量越大，这要求气体吹出的压力也要随之增大，保证熔融物能够有效去除。
现有技术中存在通过高灵敏度麦克风和示波器获得打孔过程中的声纹特征，声纹特征经处理后得到所需要的脉冲个数，将此脉冲个数作为判断微孔质量的标准。但是，在激光打孔过程中，除了激光打孔的声波外，还存在着辅助气体等声波的干扰，干扰信号的存在不利于数据处理和结果判定。
发明内容
为解决上述存在的问题，本发明提供了一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置及方法，通过在线检测脉冲激光和微孔深度，提高脉冲激光打孔过程中熔融物的去除效率，减少了因熔融物堆积造成的重铸层和微裂纹，改善了激光打孔质量。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的：
一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，激光器发出的激光束经过半透镜分成两束，一束激光辐照到第一光敏传感器上，接收到激光束的光信号后，第一光敏传感器的电信号变化，该电信号传递给控制器，控制器控制电压阀门的开闭；另一束激光通过聚焦透镜聚焦后辐照在工件上，工件下方设置有第二光敏传感器；第二光敏传感器接收到激光束的光信号后，第二光敏传感器的电信号变化，该电信号传递给控制器，控制器控制电压阀门的开闭；所述电压阀门控制储气仓的开闭。
进一步的，所述半透镜与第一光敏传感器之间设置有第一保护镜。
进一步的，所述工件与第二光敏传感器之间设置有第二保护镜。
进一步的，所述工件斜上方一侧设置有CCD相机。
进一步的，所述储气仓上安装有气压传感器；所述气压传感器与控制器连接。
进一步的，所述激光器属于长脉冲红外激光器，激光脉冲宽度为0.1～20ms。
进一步的，所述第一光敏传感器和第二光敏传感器可检测的光为红外光，检测精度为0.1ms。
进一步的，储气仓内的气体为氮气或者氩气。
进一步的，所述工件通过夹具夹持。
基于在线检测技术改善激光打孔质量装置的方法，包括如下步骤：
打孔时：激光器发出激光束，被半透镜分成两束激光，一束激光聚焦后作用于工件，另一束激光作为检测信号照射到第一光敏传感器上，因第一光敏传感器接收到光信号后由高电平变为低电平，并将电信号传递给控制器，控制器关闭电磁阀，储气仓处于关闭状态，此时，工件上的熔融物靠内部的高温高压环境喷出；单个激光脉冲作用结束之后，光信号消失，第一光敏传感器由低电平变为高电平，并将电信号传递给控制器，控制器打开电压阀，储气仓处于打开状态，输出气体，吹出孔壁残留的熔融物，如此反复；在打孔过程中，CCD相机用来监测小孔的深度变化，并将信号传递给控制器，控制器调节气压传感器，随着小孔深度的增加，通过控制器气压传感器从而控制气体的输出压力；
改善孔质量：工件被激光击穿后，第二光敏传感器检测到光信号，并由低电平变为高电平，然后将电信号反馈到控制器，控制器切断第一光敏传感器的信号并打开电压阀，气体以恒定压力连续输出，熔融物从工件上的小孔下端喷出，直至获得符合质量要求的孔后结束。本发明具有如下有益效果：
1.本发明利用在线检测技术，能够提高激光打孔过程中熔融物的去除效率，减少因熔融物堆积造成的重铸层和微裂纹，改善激光打孔质量；
2.本发明能够实现气体脉冲输出，相比与连续输出方式，该方法在改善激光打孔质量的前提下可以节约成本。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置示意图。
图2为有辅助气体时激光打孔过程示意图。
图3为无辅助气体时激光打孔过程示意图。
图4为形成通孔后有辅助气体激光打孔示意图。
图5为脉冲激光示意图。
附图标记如下：
1-电源、2-激光器、3-聚焦透镜、4-半透镜、5-第一保护镜、6-第一光敏传感器、7-储气仓、8-气压传感器、9-控制器、10-电压阀门、11-CCD相机、12-夹具、13-第二光敏传感器、14-第二保护镜、15-工件、16-激光头、17-辅助气体、18-熔融物、t1-脉冲激光、t2-无脉冲激光、T-脉冲周期。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不仅限于此。
一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，激光器2发出的激光束经过半透镜4分成两束，一束激光辐照到第一光敏传感器6上，接收到激光束的光信号后，第一光敏传感器6的电信号变化，该电信号传递给控制器9，控制器9控制电压阀门10的开闭；另一束激光通过聚焦透镜3聚焦后辐照在工件15上，工件15下方设置有第二光敏传感器13；第二光敏传感器13接收到激光束的光信号后，第二光敏传感器13的电信号变化，该电信号传递给控制器9，控制器9控制电压阀门10的开闭；所述电压阀门10控制储气仓7的开闭；通过在线检测脉冲激光和微孔深度，提高脉冲激光打孔过程中熔融物18的去除效率，减少了因熔融物18堆积造成的重铸层和微裂纹，改善了激光打孔质量。
如图1所示，本发明所述的一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，包括电源1、激光器2、聚焦透镜3、半透镜4、第一保护镜5、第一光敏传感器6、储气仓7、气压传感器8、控制器9、电压阀门10、CCD相机11、夹具12、第二光敏传感器13、第二保护镜14、工件15、激光头16。所述激光器2、半透镜4、第一保护镜5、第一光敏传感器6的中心位于同一水平直线上，所述半透镜4、聚焦透镜3、激光头16、第二保护镜14、第二光敏传感器13的中心位于同一竖直轴线上；
如图2所示，在长脉冲激光打孔过程中吹辅助气体时，熔融物18自下而上喷发，辅助气体17自上而下吹出，辅助气体17的吹气方向与熔融物18喷出方向相反，并且由于辅助气体17从喷嘴吹出后的散射作用，在到达小孔后几乎将小孔孔口覆盖，这不利于长脉冲激光打孔过程中熔融物18的喷出；
如图3所示，在长脉冲激光打孔过程中无辅助气体时，熔融物18依靠内部形成的高温高压环境从小孔上端喷出；
如图4所示，在长脉冲激光打孔过程中材料被击穿之后，辅助气体以恒定压力连续作用于小孔，熔融物从下端喷出，熔融物喷出方向与辅助气体输出方向一致；
本发明所述的一种利用激光实时检测改善激光打孔质量的方法，包括如下步骤：打开电源1，脉冲激光器2泵浦出激光，即t1阶段，激光在半透镜4作用下分为两束，其中一束被半透镜4反射，经聚焦透镜3聚焦后作用于工件15，另一束被半透镜4透射后作为检测信号，通过保护镜5后被第一光敏传感器6接收，第一光敏传感器6接收到光信号后由高电平变为低电平，并将电信号传递给控制器9，控制器9关闭电压阀门10，熔融物18依靠内部形成的高温高压环境喷出小孔，熔融物18依靠内部的高温高压环境喷出；
步骤二：如图1、图5所示，单个激光脉冲作用结束之后，即t2阶段光信号消失，第一光敏传感器6由低电平变为高电平，并将电信号传递给控制器9，控制器9打开电压阀门10，输出辅助气体17，吹除残留的熔融物18；
步骤三：重复执行步骤一和步骤二的要求，小孔深度逐渐增加，CCD相机11将检测到的小孔深度变化的信号传递给控制器9，控制器9通过气压传感器8逐渐增加输出气体的压力；
步骤四：直到工件15被击穿，第二光敏传感器13检测到光信号，并由低电平变为高电平，然后将电信号反馈到控制器9，控制器9切断第一光敏传感器6的信号并打开电压阀门10，气体以恒定压力连续输出，熔融物18从小孔下端喷出，直至打孔结束。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，激光器(2)发出的激光束经过半透镜(4)分成两束，一束激光辐照到第一光敏传感器(6)上，接收到激光束的光信号后，第一光敏传感器(6)的电信号变化，该电信号传递给控制器(9)，控制器(9)控制电压阀门(10)的开闭；另一束激光通过聚焦透镜(3)聚焦后辐照在工件(15)上，工件(15)下方设置有第二光敏传感器(13)；第二光敏传感器(13)接收到激光束的光信号后，第二光敏传感器(13)的电信号变化，该电信号传递给控制器(9)，控制器(9)控制电压阀门(10)的开闭；所述电压阀门(10)控制储气仓(7)的开闭。
2.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述半透镜(4)与第一光敏传感器(6)之间设置有第一保护镜(5)。
3.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述工件(15)与第二光敏传感器(13)之间设置有第二保护镜(14)。
4.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述工件(15)斜上方一侧设置有CCD相机(11)。
5.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述储气仓(7)上安装有气压传感器(8)；所述气压传感器(8)与控制器(9)连接。
6.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述激光器(2)属于长脉冲红外激光器，激光脉冲宽度为0.1～20ms。
7.根据权利要求6所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述第一光敏传感器(6)和第二光敏传感器(13)可检测的光为红外光，检测精度为0.1ms。
8.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，储气仓(7)内的气体为氮气或者氩气。
9.根据权利要求1所述的基于在线检测技术改善激光打孔质量的装置，其特征在于，所述工件(15)通过夹具(12)夹持。
10.基于权利要求1-9任一项所述的在线检测技术改善激光打孔质量装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
打孔时：激光器(2)发出激光束，被半透镜(4)分成两束激光，一束激光聚焦后作用于工件(15)，另一束激光作为检测信号照射到第一光敏传感器(6)上，因第一光敏传感器(6)接收到光信号后由高电平变为低电平，并将电信号传递给控制器(9)，控制器(9)关闭电压阀门(10)，储气仓(7)处于关闭状态，此时，工件(15)上的熔融物(18)靠内部的高温高压环境喷出；单个激光脉冲作用结束之后，光信号消失，第一光敏传感器(6)由低电平变为高电平，并将电信号传递给控制器(9)，控制器(9)打开电压阀门(10)，储气仓(7)处于打开状态，输出气体，吹出孔壁残留的熔融物(18)，如此反复；在打孔过程中，CCD相机(11)用来监测小孔的深度变化，并将信号传递给控制器(9)，控制器(9)调节气压传感器(8)，随着小孔深度的增加，通过控制器(9)气压传感器(8)从而控制气体的输出压力；
改善孔质量：工件(15)被激光击穿后，第二光敏传感器(13)检测到光信号，并由低电平变为高电平，然后将电信号反馈到控制器(9)，控制器(9)切断第一光敏传感器(6)的信号并打开电压阀门(10)，气体以恒定压力连续输出，熔融物(18)从工件(15)上的小孔下端喷出，直至获得符合质量要求的孔后结束。
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