CN110280915A - 一种基于水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置及方法，涉及激光打孔领域，激光头发出的激光束与工件的三维位置可改变，所述激光头包括第一平面反射镜、半波片、第二平面反射镜、空间光调制器、1/4波片、第三平面反射镜和聚焦透镜；激光器经激光头发射的激光束辐照射到第一平面反射镜上，经第一平面镜反射反射到半波片上后再由第二平面反射镜反射到空间光调制器上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜上，经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上。通过设计改变激光器的结构及在工件上方添加叉指电极来解决现有技术中存在的重铸层和毛刺问题。

Description

一种基于水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置及方法

技术领域

本发明涉及激光打孔技术领域，具体涉及到一种基于水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置。

背景技术

为满足先进发动机高推重比、高燃烧效率等性能要求，发动机的热端部件(如燃烧室、涡轮叶片等)都在极高的温度下工作。目前先进的发动机的进口温度已经达到了1650℃以上，远高于最先进的第五代单晶镍基高温合金的最高承受温度1300℃，故发动机的热端部件上都广泛采用气膜冷却技术。气膜冷却孔的孔径一般在0.20～1.25mm之间，且深径比大，而单个叶片上就分布上百的气膜孔，燃烧室有甚至高达数万的气膜孔。激光打孔技术具有加工材料不受限制、可加工大深径比斜孔、效率高和无工具损耗等优点，故广泛用于发动机气膜冷却孔的加工。

激光打孔是利用热作用去除材料而形成孔型，加工完成的孔壁、孔口有残留熔融物形成的重铸层和毛刺。重铸层中含有残余应力导致的微裂纹，特别是径向的微裂纹在外加交变载荷作用下极易向基材扩展，引发零件断裂失效。所以如航空涡轮叶片等工作环境恶劣且可靠性要求较高的零部件，重铸层是不允许存在的。目前激光制孔重铸层的去除主要有磨粒流研磨、化学腐蚀、优化激光工艺参数和电解加工。磨粒流研磨加工是基于阻力最小原理进行的，对大孔的材料去除多，对小孔的材料去除少甚至不去除，扩孔不均匀且存在无法去除加工“死角”区域的重铸层，尤其是在孔的中部位置。整体化学腐蚀法对工件基体也存在腐蚀作用，而定向化学腐蚀法通用性差，不同金属材料或组织结构均需要不同的定向腐蚀液。毫秒激光打孔参数优化后可明显降低重铸层厚度，但仍存在较薄的重铸层；飞秒二次加工可以完全去除重铸层，但飞秒激光器费用昂贵、加工条件要求高、效率低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，通过设计改变激光器的结构及在工件上方添加叉指电极来解决现有技术中存在的重铸层和毛刺问题，从而能明显降低重铸层厚度，另外通过将工件设置于水中，更进一步的解决了上述问题。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，激光头发出的激光束与工件的三维位置可改变，所述激光头包括第一平面反射镜、半波片、第二平面反射镜、空间光调制器、1/4波片、第三平面反射镜和聚焦透镜；激光器经激光头发射的激光束辐照射到第一平面反射镜上，经第一平面镜反射反射到半波片上后再由第二平面反射镜反射到空间光调制器上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜上，经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上。

进一步的，经聚焦透镜聚焦后的激光束经叉指电极场后辐照在工件上。

进一步的，所述工件通过工件夹具夹持，工件置于液体中。

进一步的，还包括电动推杆、无盖长方体容器、激光头、CCD摄像机、导光管、z方向移动机构、x-y移动平台和温度控制器；所述x-y移动平台设置在机床底座上，x-y移动平台上设置有电动推杆，电动推杆上设置有无盖长方体容器，无盖长方体容器内设置有工件；无盖长方体容器内的液体的温度由温度控制器控制。

进一步的，所述工件夹具装置包括固定螺钉、夹板、工件、螺母、螺栓、叉指电极；所述工件夹具装置通过固定螺钉安装在x-y移动平台上，并跟随x-y移动平台移动，所述螺母和螺栓配合使得夹板对工件固定夹紧。

进一步的，所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构；所述z方向移动机构上安装有激光器。

进一步的，所述电动推杆包括固定螺钉、直流有刷电机、电动推杆导套、推杆、控制单元；所述电动推杆通过固定螺钉安装在x-y移动平台上，并跟随x-y移动平台移动，所述推杆安装在电动推杆导套中，在控制单元对直流有刷电机的控制下驱动推杆移动。

进一步的，工作时，所述叉指电极通电，并接地，工件通正电。

进一步的，工件的三维位置可通过三坐标移动平台改变。

水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：对工件进行夹持；

步骤二：电动推杆工作，对无盖长方体容器注水，叉指电极通电来产生电磁场；

步骤三：打开温度控制器对无盖长方体容器中的水进行加热，控制单元设置好参数后，开启电源，使电动推杆开始工作，电动推杆以一定的速率和行程上下移动；与此同时，开始激光打孔，打开激光器的泵浦，z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，激光器发出脉冲激光，激光光束经第一平面反射镜、半波片、第二平面反射镜、空间光调制器、1/4波片、第三平面反射镜和聚焦透镜处理后得到径向偏振特性的激光束，光束聚焦在工件表面；

步骤四：调节温度控制器，使水温降低从而冷却工件；随着脉冲个数的增加，激光不断与工件之间相互作用，直至工件上的孔打通，停止激光输出；待工件冷却后，取下工件。

本发明的具有益效果是：

一.本发明首先利用激光在水下进行打孔，水下激光打孔可以减少热损伤，减小受激光热影响区的面积，对激光打孔过程中经常出现的微裂纹现象有很好的改善作用。

二.本发明利用温度控制器对水进行加热，以达到对工件预热处理的目的，提高了材料的吸收率，改善了由于激光能量不均匀带来的成型孔圆度较差的问题。在加工过程中，利用温度控制器降低水温，来达到冷却工件的目的，这改善了由于工件在激光辐照下产生高温所导致的微裂纹和变形的问题。

三.本发明针对水下激光打孔中无法及时去除熔融物的缺陷，将水下打孔与及时冲刷技术进行耦合，改善了上述缺陷，可以在水下激光打孔的同时，及时的去除激光打孔产生的熔融物，可以有效的减少激光打孔过程中经常产生的重铸层。四.本发明设计的夹具安装在x-y的移动平台上，可以跟随x-y进行移动，实现了工件任意位置的打孔，也适合群孔加工。

五.本发明设计的叉指电极可以产生较强的边缘电场以及总体向上的电磁场，可以对加工区域上方的等离子体起到吸附控制的作用，这避免了等离子体沉积到工件表面，减弱了等离子体的屏蔽、散射及折射效应。提高了打孔质量。

六.本发明对激光器发出的普通脉冲激光进行处理，得到了具有径向偏振特性的激光束，它是一种特殊的非均匀偏振光束，具有轴对称偏振结构，而且它的聚焦质量好，可以打出圆度更好的孔。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为工件夹具结构示意图；

图3为电动推杆的结构示意图；

图4为x-y移动工作台的结构示意图；

图5为叉指电极工作原理示意图；

图6为激光头内部结构示意图。

附图标记如下：

1-电源箱、2-电动推杆、3-无盖长方体容器、4-工件夹具、5-激光头、6-CCD摄像机、7-导光管、8-激光器、9-z方向移动机构、10-x-y移动平台、2.1-固定螺钉、2.2-直流有刷电机、2.3-电动推杆导套、2.4-推杆、2.5-控制单元、4.1-固定螺钉、4.2-夹板、4.3-工件、4.4-螺母、4.5-螺栓、5.1-第一平面反射镜、5.2-半波片、5.3-第二平面反射镜、5.4-空间光调制器、5.5-1/4波片、5.6-第三平面反射镜、5.7-聚焦透镜、10.1-工作台、10.2-第二伺服电机、10.3-y方向的导轨、10.4-丝杠支撑架、10.5-联轴器、10.6-第一伺服电机、10.7-第一电机支撑块、10.8-y方向的导轨支撑架、10.9-y方向的丝杠、10.10-x方向的底板、10.11-x方向的导轨支撑架、10.12-x方向的导轨、10.13-x方向的丝杠、10.14-螺纹孔、10.15-y方向的底板。12.1-电场线。

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。

结合附图1，一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置，其特征在于，包括电源箱1、电动推杆2、无盖长方体容器3、工件夹具4、激光头5、CCD摄像机6、导光管7、激光器8、z方向移动机构9、x-y移动平台10；

所述电源箱1安装在机床底座的左侧竖直面上，机床的底座上表面上安装x-y移动平台10，所述x-y移动平台10上安装有电动推杆2和工件夹具4，所述电动推杆2上安装有无盖长方体容器3，所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构9，所述z方向移动机构9上安装有激光器8，所述激光器8通过导光管7与激光头5相连接，所述激光头5的正上方安装有CCD摄像机6；

结合附图2，所述工件夹具装置4包括固定螺钉4.1、夹板4.2、工件4.3、螺母4.4、螺栓4.5。所述工件夹具装置4通过固定螺钉4.1安装在x-y移动平台10.1上，并跟随x-y移动平台移动，所述螺母4.4和螺栓4.5配合使得夹板4.2对工件4.3固定夹紧。叉指电极12安装在固定夹具装置4上，进行激光打孔之前，使叉指电极一端和工件通正电，叉指电极另一端接地；

结合附图3，所述电动推杆2包括固定螺钉2.1、直流有刷电机2.2、电动推杆导套2.3、推杆2.4、控制单元2.5。所述电动推杆通过2通过固定螺钉2.1安装在x-y移动平台10.1上，并跟随x-y移动平台移动，所述推杆2.4安装在电动推杆导套2.3中，在控制单元2.5对直流有刷电机2.2的控制下驱动推杆做一定行程和速度的上下移动；

结合附图4，所述x-y移动平台10包括工作台10.1、y方向的导轨10.3、丝杠支撑架10.4、联轴器10.5、第一伺服电机10.6、第一电机支撑块10.7、y方向的导轨支撑架10.8、y方向的丝杠10.9、x方向的底板10.10、x方向的导轨支撑架10.11、第二伺服电机10.2、x方向的导轨10.12、x方向的丝杠10.13和y方向的底板10.15。

所述x-y移动工作台10的最下方为x方向的底板10.10，x方向的底板10.10上设置有x方向的丝杠10.13，x方向的丝杠10.13通过和联轴器10.5同样的联轴器与第二伺服电机10.2相连接，第二伺服电机10.2通过同第一电机支撑块10.7相同的第二电机支撑块来支撑，x方向的底板10.10上表面上平行于x方向的丝杠10.13的左右两侧平行设置有x方向的导轨10.12，y方向的底板10.15下表面可沿x方向的导轨10.12滑动，y方向的底板10.15上表面通过丝杠支撑架10.4支撑y方向的丝杠10.9，所述y方向的丝杠10.9通过联轴器10.5与第一伺服电机10.6相连接，第一伺服电机10.6通过第一电机支撑块10.7支撑，y方向的底板10.15的上表面上平行于y方向的丝杠10.9的左右两侧平行方向上设置有y方向的导轨10.3，y方向的导轨10.3上连接有工作台10.1。

进一步的，所述固定工件夹具是通过螺钉固定在工作平台上，无法移动，只能用来固定夹紧工件。

结合附图5，叉指电极工作时，可以产生图中所示的电场。12.1是叉指电极产生的电场线，矢量箭头的大小和方向，代表了所处电场的电场力的大小和方向。

结合附图6，调整半波片，1/4波片的快轴与水平方向产生合适的角度，再经过空间光调制器的处理，得到径向偏振态的激光束。

所述电动推杆是通过螺钉固定在工作平台上。直流有刷电机带动无水长方体容器只进行z方向的上下移动。

所述无水长方体容器中盛的是水。水的高度漫过工件的距离略大于推杆行程。

所述激光器、导光管、激光头和CCD摄像机可随z方向移动机构一起上下移动。

所述电动推杆带动无水长方体容器进行上下移动。在移动的过程中，工件始终处于水面的下方，并且工件也始终处于无盖长方体容器底部之上。

所述工件的位置是固定不变的，上下移动的无盖长方体容器中的水和工件有相对移动。

所述叉指电极产生边缘电场效应以及总体向上的电场。

基于一种水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：用固定夹具装置将工件进行固定与夹紧。

步骤2：利用控制单元控制直流有刷电机，使直流有刷电机带动推杆向上移动，并且达到最大行程。这时往无水长方体容器里注水，当水面瞒过工件的距离略大于推杆的工作行程即可停止注水。然后，给叉指电极通电来产生电场。

步骤3：打开温度控制器对无盖长方体容器中的水进行加热，以达到对工件预热的目的。控制单元设置好参数后，开启电源，使电动推杆开始工作，电动推杆以一定的速率和行程上下移动。与此同时，开始激光打孔，打开激光器的泵浦，z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，激光器发出脉冲激光，激光光束经平面反射镜、半波片、1/4波片、空间光调制器处理后得到径向偏振特性的激光束，光束聚焦在工件表面。

步骤4：调节温度控制器，使水温降低从而冷却工件。随着脉冲个数的增加，激光不断与工件之间相互作用，直至工件上的孔打通，停止激光输出。

步骤5：当工件被打通后，稍微等待数秒，即可关闭电动推杆。待工件冷却后，即可取下工件。

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、替换或变形均属于本发明的保护范围。

所述无盖长方体容器里装的是水。工件4.3在激光打孔之前，先由温度控制器11对水进行加热，通过热传递，水会对工件4.3进行预热，使得工件4.3吸收率增大，减小了由于激光能量不均匀带来的圆度误差。待激光开始进行打孔后，工件4.3温度快速升高，此时通过温度控制器11降低水温来冷却工件，改善了工件因高温引起的微裂纹和变形等缺陷。

激光发生器发出的激光束在半波片5.2、1/4波片5.5、平面反射镜和空间光调制器5.4的处理下产生径向偏振特性的激光束。而这种径向偏振的激光束是一种非均匀偏振光束，具有轴对称偏振结构，并且径向偏振光聚焦焦点质量好，可以在工件上打出圆度更好的孔。

推杆带动无盖长方体容器进行上下移动的同时，通过控制推杆2.4的行程来使工件在激光加工过程一直处于水面之下。

工件夹具与无盖长方体容器的相对位置是固定的，在电动推杆行程达到最大时，往无盖长方体容器中注水，此时注水超过过工件4.3表面的距离略大于推杆2.4的行程即可。并且，推杆2.4的最大行程要保证工件4.3始终处于无盖长方体容器底部之上。

通过上下移动无盖长方体容器，使得容器里的水和工件4.3及打孔中心部位有相对移动，可以在加工过程中及时的对熔渣进行冲刷。

叉指电极12通电工作以后，工件4.3通正电，这样叉指电极13能产生较强的边缘电场效应，同时可以产生总体向上的电磁场。电磁场可以将等离子体吸附控制在叉指极板上，避免了等离子体沉积到工件4.3表面，减弱了等离子体的屏蔽、散射及折射效应。提高了打孔质量。

工作过程原理：先将工件利用设计的夹具夹紧，往无盖长方体容器里注水，当水漫过工件上方的距离略大于推杆工作行程时停止注水。启动温度控制器对水进行加热从而对工件进行预热。此时叉指电极开始通电，然后利用半波片、1/4波片、平面反射镜和空间光调制器对激光进行处理，得到具有径向偏振特性的激光束，将处理后的激光焦点聚焦于工件表面开始进行打孔。与此同时，通过控制单元控制直流有刷电机，让电动推杆开始工作，推杆带动无盖长方体容器进行上下移动，在加工过程中工件一直处于水面下。此过程中，由于工件被预热处理过，材料吸收率上升，这有效的改善了由于激光能量不均匀导致的孔圆度较差的问题。调制后产生的径向偏振激光束是一种特殊的非均匀偏振光束，具有轴对称偏振结构，而且这种径向偏振激光束的聚焦特性好，聚焦焦点质量较高，可以打出圆度更好的孔。叉指电极产生的边缘电场和总体向上的电磁场可以有效的吸附控制等离子体，这减少了等离子体的屏蔽、散射及折射效应。而且工件处于水下，减小了受激光热影响的面积，因此减少了微裂纹现象。在水中打孔烧蚀过程中，熔渣和气泡会对激光束产生很大的干扰。因此利用移动无盖长方体容器，使得容器里的水和工件间不断的有相对运动产生，从而使熔渣被不断的冲离加工区域，有效的控制了重铸层的产生。在加工过程中利用温度控制器降低水温，可以有效减少工件因激光辐照产生高温而导致的热变形和微裂纹。

Claims (10)

1.一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，激光头(5)发出的激光束与工件(4.3)的三维位置可改变，所述激光头(5)包括第一平面反射镜(5.1)、半波片(5.2)、第二平面反射镜(5.3)、空间光调制器(5.4)、1/4波片(5.5)、第三平面反射镜(5.6)和聚焦透镜(5.7)；激光器(8)经激光头(5)发射的激光束辐照射到第一平面反射镜(5.1)上，经第一平面镜反射(5.1)反射到半波片(5.2)上后再由第二平面反射镜(5.3)反射到空间光调制器(5.4)上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜(5.6)上，经聚焦透镜(5.7)聚焦后辐照在工件(4.3)上。

2.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，经聚焦透镜(5.7)聚焦后的激光束经叉指电极(12)场后辐照在工件(4.3)上。

3.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述工件(4.3)通过工件夹具(4)夹持，工件(4.3)置于液体中。

4.根据权利要求3所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，还包括电动推杆(2)、无盖长方体容器(3)、激光头(5)、CCD摄像机(6)、导光管(7)、z方向移动机构(9)、x-y移动平台(10)和温度控制器(11)；所述x-y移动平台(10)设置在机床底座上，x-y移动平台(10)上设置有电动推杆(2)，电动推杆(2)上设置有无盖长方体容器(3)，无盖长方体容器(3)内设置有工件(4.3)；无盖长方体容器(3)内的液体的温度由温度控制器(11)控制。

5.根据权利要求3所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述工件夹具装置(4)包括固定螺钉(4.1)、夹板(4.2)、工件(4.3)、螺母(4.4)、螺栓(4.5)、叉指电极(12)；所述工件夹具装置(4)通过固定螺钉(4.1)安装在x-y移动平台(10.1)上，并跟随x-y移动平台(10.1)移动，所述螺母(4.4)和螺栓(4.5)配合使得夹板(4.2)对工件(4.3)固定夹紧。

6.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构(9)；所述z方向移动机构(9)上安装有激光器(8)。

7.根据权利要求4所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述电动推杆(2)包括固定螺钉(2.1)、直流有刷电机(2.2)、电动推杆导套(2.3)、推杆(2.4)、控制单元(2.5)；所述电动推杆通过(2)通过固定螺钉(2.1)安装在x-y移动平台(10.1)上，并跟随x-y移动平台移动，所述推杆(2.4)安装在电动推杆导套(2.3)中，在控制单元(2.5)对直流有刷电机(2.2)的控制下驱动推杆移动。

8.根据权利要求2所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，工作时，所述叉指电极(12)通电，并接地，工件(4.3)通正电。

9.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，工件(4.3)的三维位置可通过三坐标移动平台改变。

10.根据权利要求1-9任一项所述的水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：对工件(4.3)进行夹持；

步骤二：电动推杆(2)工作，对无盖长方体容器(3)注水，叉指电极(12)通电来产生电磁场；

步骤三：打开温度控制器(11)对无盖长方体容器(3)中的水进行加热，控制单元设置好参数后，开启电源，使电动推杆(2)开始工作，电动推杆(2)以一定的速率和行程上下移动；同时，开始激光打孔，打开激光器的泵浦，z方向移动机构(9)开始以一定的速度向下进给，当激光头(5)到距离工件(4.3)的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，激光器(8)发出脉冲激光，激光光束经第一平面反射镜(5.1)、半波片(5.2)、第二平面反射镜(5.3)、空间光调制器(5.4)、1/4波片(5.5)、第三平面反射镜(5.6)和聚焦透镜(5.7)处理后得到径向偏振特性的激光束，光束聚焦在工件表面；

步骤四：调节温度控制器(11)，使水温降低从而冷却工件；随着脉冲个数的增加，激光不断与工件之间相互作用，直至工件(4.3)上的孔打通，停止激光输出；待工件冷却后，取下工件。