CN110280856A - 一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超声振透镜的激光‑电化学复合打孔装置及方法，该装置包括计算机、激光器控制器、直流电源、毫秒脉冲激光器、CCD相机、反射平面镜、基于超声振透镜的喷射装置、电解装置、可移动工作台、工作箱体、夹具和工作台控制器。同时提供了采用上述装置的一种利用超声振透镜的激光‑电化学复合打孔方法，其主要方法是激光与电解液同轴以一定的速度从基于超声振透镜的喷射装置中射出，形成电解液激光耦合射流作用到工件上，可以在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹，通过加入超声振透镜可以使工件上打孔的精度(尺寸精度和几何形状精度)、锥度和稳定性得到改善。

Description

一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置及方法
技术领域
本发明涉及激光打孔技术领域，具体涉及到一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置及方法。
背景技术
目前激光打孔技术已经被应用到了汽车工业、船舶制造、航空航天、仪器仪表以及医疗技术等诸多行业之中。激光加工是将激光束照射到加工物体的表面，产生光辐射加热作用从而去除或熔化材料以及改变物体表面性能，达到加工目的。由于激光加工不需要加工工具、加工速度快、表面变形小，因此被广泛应用于打孔、切割、焊接和热处理等领域。
但是由于激光加工是一种热物理加工模式，在打孔或者切割过程中会产生重铸层、微裂纹和热影响区等缺陷，大大限制了激光在使用性能和可靠性能要求高的领域内的应用。
电液束加工主要是以金属电化学阳极溶解为机理的一种加工导电材料的工艺方法，该工艺可以加工表面质量要求高、无再铸层的深小孔，被广泛应用在航空航天等对可靠性要求高的行业。电化学辅助激光加工的基础研究是借鉴水射流引导激光加工和电液束加工而提出的一项新的加工技术探索，其特点是发挥激光加工的高性能，同时借助喷射液束电解作用在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹。但其应用于打孔时，打孔的稳定性和精度不能得到很好的控制。
发明内容
本发明的针对上述现有技术的不足，为了在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹，提高打孔稳定性和精度以及减小打孔锥度。提出了一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，包括计算机、激光器控制器、脉冲激光器、反射平面镜和喷射装置；所述激光器控制器的输入端与计算机连接，输出端与脉冲激光器输入端连接，用来控制脉冲激光器激光的输出，脉冲激光器输出的激光经反射平面镜反射后经过喷射装置辐照在工件上，并对工件进行加工；所述喷射装置包括喷射腔体、耦合模块、换能器和匹配模块；所述喷射腔体正上方设置有耦合模块、耦合模块上设置有换能器和匹配模块；所述换能器与匹配模块之间通过连接线连通，连接线上还连通有超声波发生器；所述喷射腔体内设置从上至下设置有透镜和喷嘴，激光束经过喷嘴辐照在工件上。
进一步的，还包括电化学部分，所述电化学部分包括直流电源、电解液；所述直流电源的正极接工件，负极接喷射装置；所述电解液经出液管流入喷射装置内，经喷嘴喷出到工件上。
进一步的，所述工件通过夹具固定在工作箱体内，工件的松紧由螺钉控制，工作箱体在可移动工作台上可实现x和y方向的移动。
进一步的，所述反射平面镜正上方设置有CCD相机，CCD相机用来拍摄工件的加工过程。
进一步的，所述电解液置于密封电解液箱内，所述密封电解液箱分为左右腔体，右腔内装有加工前配置的电解液，加工零件后的电解液流回左腔。
进一步的，所述电解液通过离心泵泵入喷射装置。
进一步的，所述出液管上设置有精细过滤器和粗过滤器；电解液依次经粗过滤器与精细过滤器过滤后进入喷射装置。
利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置的方法，包括如下步骤：
步骤一：将工件装在夹具上，通过CCD相机的检测，利用工作台控制器控制可移动工作台，调整工件位置，使得工件在喷射装置的正下方；
步骤二：开始激光打孔，打开脉冲激光器的泵浦，脉冲激光器发出激光，激光经过反射平面镜射入基于超声振透镜的喷射装置中；
步骤三：电解液通过粗过滤器，由离心泵抽送至出液管，再经过精细过滤器，经调节压力后，由出液管输送到喷射装置中，工件接直流电源正极，与激光束同轴安装的喷射装置接直流电源负极，使喷射的液束阴极化且与激光束同轴以一定的速度喷射；
步骤四：电解液与激光束的耦合射流作用到工件上，实现对工件的加工，加工后的电解液流回密封电解液箱左腔。
本发明的有益效果是：
一、本发明中基于超声振透镜的喷射装置中所喷出的电解液与激光束的耦合射流作用到工件上，可以在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹。
二、本发明通过加入超声振透镜，可以使工件上激光的焦点上下来回移动，从而可以减小工件的打孔锥度，提高打孔的精度(尺寸精度和几何形状精度)和稳定性。
三、本发明改善了电解箱体，通过分腔结构保证了加工过程中电解液浓度值的不变。
四、喷射装置中所喷出的电解液与激光束的耦合射流作用到工件上，可以在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹；喷射装置中，换能器与超声波发生器相连接，可以更好的发挥超声波的振动作用；为了避免在压紧时超声波作用下产生的应力集中破坏，基于超声振透镜的喷射装置中透镜是装在耦合模块下的，耦合模块可以减缓应力集中的破坏。
五、电解系统中的电解液作用于工件上时，可以消除重铸层、残余应力、微裂纹等缺陷，提升工件的加工强度。
六、工件上激光的焦距由喷射装置进行控制，激光的焦点在工件上下来回移动，可以减小工件的打孔锥度，提高打孔的精度(尺寸精度和几何形状精度)和稳定性。
七、激光与电解液同轴以一定的速度从喷射装置中射出，形成电解液激光耦合射流作用到工件上，可以在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹，通过加入超声振透镜可以使工件上打孔的精度(尺寸精度和几何形状精度)、锥度和稳定性得到改善。
附图说明
图1为一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置的示意图；
图2为喷射装置的示意图。
附图标记如下：
1-计算机、2-激光器控制器、3-直流电源、4-电流表、5-脉冲激光器、6-CCD相机、7-反射平面镜、8-喷射装置、9-压力表、10-出液管、11-精细过滤器、12-离心泵、13-粗过滤器、14-密封电解液箱、15-电解液、16-回流控制阀、17-进液管、18-可移动工作台、19-工作箱体、20-夹具、21-工件、22-螺钉、23-电压表、24-工作台控制器、8.1-喷射腔体、8.2-耦合快、8.3-螺钉、8.4-换能器、8.5-匹配快、8.6-连接线、8.7-超声波发生器、8.8-透镜、8.9-喷嘴。
具体实施方式
为了更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，包括计算机1、激光器控制器2、脉冲激光器5、反射平面镜7和喷射装置8；所述激光器控制器2的输入端与计算机1连接，输出端与脉冲激光器5输入端连接，用来控制脉冲激光器5激光的输出，脉冲激光器5输出的激光经反射平面镜7反射后经过喷射装置8辐照在工件21上，并对工件进行加工；所述喷射装置8包括喷射腔体8.1、耦合模块8.2、换能器8.4和匹配模块8.5；所述喷射腔体8.1正上方设置有耦合模块8.2、耦合模块8.2上设置有换能器8.4和匹配模块8.5；所述换能器与匹配模块8.5之间通过连接线8.6连通，连接线8.6上还连通有超声波发生器8.7；所述喷射腔体8.1内设置从上至下设置有透镜8.8和喷嘴8.9，激光束经过喷嘴8.9辐照在工件21上；还包括电化学部分，所述电化学部分包括直流电源3、电解液15；所述直流电源3的正极接工件21，负极接喷射装置8；所述电解液15经出液管10流入喷射装置8内，经喷嘴8.9喷出到工件21上。
喷射装置8中所喷出的电解液与激光束的耦合射流作用到工件上，可以在加工过程中消除重铸层、残余应力、微裂纹；工件21上激光的焦距由喷射装置8进行控制，激光的焦点在工件21上下来回移动，可以减小工件21的打孔锥度，提高打孔的精度(尺寸精度和几何形状精度)和稳定性。
结合附图1，一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置及方法，其特征在于，包括计算机1、激光器控制器2、直流电源3、电流表4、脉冲激光器5、CCD相机6、反射平面镜7、喷射装置8、压力表9、出液管10、精细过滤器11、离心泵12、粗过滤器13、密封电解液箱14、电解液15、回流控制阀16、进液管17、可移动工作台18、工作箱体19、夹具20、工件21、螺钉22、电压表23和工作台控制器24；
所述激光器控制器2输入端与计算机1相连接，激光器控制器2输出端与激光器5输入端相连接，毫秒脉冲激光器5输出端将激光照射到反射平面镜7上，反射平面镜7将光束反射到喷射装置8上；
所述密封电解液箱14分为左右腔体，右腔里面有电解液15，出液管10一端与密封电解液箱14右腔相连接，出液管10另一端与基于超声振透镜的喷射装置8相连接，在出液管10上有回流控制阀16、粗过滤器13、离心泵12、精细过滤器11和压力表9，进液管17一端与密封电解液箱14左腔相连接，进液管17另一端与工作箱体19相连接；
喷射装置8上形成的耦合射流作用于正下方的工件21上，所述工件21通过夹具20安装在工作箱体19内，夹具20上有螺钉22用于紧固工件21，工作箱体19安装可移动工作台18上，可移动工作台18通过控制器24与计算机1相连接，可移动工作台18正上方安装有CCD相机6，直流电源3正极与工件21相连接，直流电源3负极与喷射装置8相连接，直流电源3与电流表4和电压表23相连接。
结合附图2，所述喷射装置8包括喷射腔体8.1、耦合模块8.2、螺钉8.3、换能器8.4、匹配模块8.5、连接线8.6、超声波发生器8.7、透镜8.8和喷嘴8.9，其中螺钉8.3用于连接喷射腔体8.1和耦合模块8.2，连接线8.6用于连接超声波发生器8.7。
一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔方法，包括如下步骤：
步骤1：将工件21装在夹具20上，通过CCD相机6的检测，利用工作台控制器24控制可移动工作台18，调整工件21位置，使得工件21在喷射装置8的正下方；
步骤2：开始激光打孔，打开脉冲激光器5的泵浦，脉冲激光器5发出激光，激光经过反射平面镜7射入喷射装置8中；
步骤3：电解液15通过粗过滤器13，由离心泵12抽送至管路，再经过精细过滤器11，经调节压力后，由进液管17输送到喷射装置8中，将工件21接直流电源正极，与激光束同轴安装的喷射装置8接直流电源负极，使喷射的液束阴极化且与激光束同轴以一定的速度(可调节)喷射；
步骤4：电解液与激光束的耦合射流作用到工件21上，实现对工件21的加工，加工后的电解液流回密封电解液箱14左腔。
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 (8)

1.一种利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，包括计算机(1)、激光器控制器(2)、脉冲激光器(5)、反射平面镜(7)和喷射装置(8)；所述激光器控制器(2)的输入端与计算机(1)连接，输出端与脉冲激光器(5)输入端连接，用来控制脉冲激光器(5)激光的输出，脉冲激光器(5)输出的激光经反射平面镜(7)反射后经过喷射装置(8)辐照在工件(21)上，并对工件进行加工；所述喷射装置(8)包括喷射腔体(8.1)、耦合模块(8.2)、换能器(8.4)和匹配模块(8.5)；所述喷射腔体(8.1)正上方设置有耦合模块(8.2)、耦合模块(8.2)上设置有换能器(8.4)和匹配模块(8.5)；所述换能器与匹配模块(8.5)之间通过连接线(8.6)连通，连接线(8.6)上还连通有超声波发生器(8.7)；所述喷射腔体(8.1)内设置从上至下设置有透镜(8.8)和喷嘴(8.9)，激光束经过喷嘴(8.9)辐照在工件(21)上。
2.根据权利要求1所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，还包括电化学部分，所述电化学部分包括直流电源(3)、电解液(15)；所述直流电源(3)的正极接工件(21)，负极接喷射装置(8)；所述电解液(15)经出液管(10)流入喷射装置(8)内，经喷嘴(8.9)喷出到工件(21)上。
3.根据权利要求1或者2任一项所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，所述工件(21)通过夹具(20)固定在工作箱体(19)内，工件(21)的松紧由螺钉(22)控制，工作箱体(19)在可移动工作台(18)上可实现x和y方向的移动。
4.根据权利要求1所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，所述反射平面镜(7)正上方设置有CCD相机(6)，CCD相机(6)用来拍摄工件(21)的加工过程。
5.根据权利要求2所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，所述电解液(15)置于密封电解液箱(14)内，所述密封电解液箱(14)分为左右腔体，右腔内装有加工前配置的电解液，加工零件后的电解液流回左腔。
6.根据权利要求2所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，所述电解液(15)通过离心泵(12)泵入喷射装置(8)。
7.根据权利要求2所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置，其特征在于，所述出液管(10)上设置有精细过滤器(11)和粗过滤器(13)；电解液(15)依次经粗过滤器(13)与精细过滤器(11)过滤后进入喷射装置(8)。
8.基于权利要求1所述的利用超声振透镜的激光-电化学复合打孔装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将工件(21)装在夹具(20)上，通过CCD相机(6)的检测，利用工作台控制器(24)控制可移动工作台(18)，调整工件(21)位置，使得工件(21)在喷射装置(8)的正下方；
步骤二：开始激光打孔，打开脉冲激光器(5)的泵浦，脉冲激光器(5)发出激光，激光经过反射平面镜(7)射入基于超声振透镜的喷射装置(8)中；
步骤三：电解液(15)通过粗过滤器(13)，由离心泵(12)抽送至出液管(10)，再经过精细过滤器(11)，经调节压力后，由出液管(10)输送到喷射装置(8)中，工件(21)接直流电源正极，与激光束同轴安装的喷射装置(8)接直流电源负极，使喷射的液束阴极化且与激光束同轴以一定的速度喷射；
步骤四：电解液(15)与激光束的耦合射流作用到工件(21)上，实现对工件(21)的加工，加工后的电解液流回密封电解液箱(14)左腔。
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