CN110497086B - 一种基于激光放电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激光放电改善制孔质量的激光打孔装置及方法，涉及激光打孔领域，三台激光器分别发射不同波长的激光，经过半透镜组合的光路形成一束复色光。复色光在光泵和单向透光镜以及部分反射镜组合产生的光谐振腔中来回振荡从而发生受激辐射，经聚焦透镜后产生间距极小的三个焦点。旋转工作台带动工件旋转配合三个焦点进行激光加工；利用反射镜和半透镜组合设计了第二条条光路，第二条光路同样含有三个不同波长的激光。通过光学测距仪测得的竖直孔深以及孔距工件各边的距离，可以在空间上打出任意角度的相交孔。激光在工件和电极板之间的静电场产生空气放电。通过上述技术，可以快速精确的加工空间相交孔，提高效率并改善制孔质量。

Description

一种基于激光放电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激光放电改善制孔质量的激光打孔装置。

背景技术

微小孔在制造业中有很大的需求，如汽车喷油嘴喷孔、航空发动机热端部件的气膜冷却孔和喷墨打印机喷嘴等，现有的微小孔加工技术，如电解加工和电火花加工，在加工质量和加工效率上已经无法满足工业要求，而激光能够更加高效地加工出小孔径、高质量的微小孔。一般而言，工业用激光器均为高功率、大能量的毫秒激光器。毫秒激光打孔属于热加工，材料吸收激光能量，产生一系列复杂的物理和化学变化，如热传导、熔化、气化、等离子体等，熔化和气化是材料的主要去除方式。毫秒激光因为是热去除，所以会产生重铸层和热影响区，这是毫秒激光加工的致命弱点，重铸层是材料在熔化过程中产生的熔化物未被完全排除，残留在孔壁和孔口处重新凝固形成的。重铸层在常规激光加工中难以被去除，尤其是出口重铸层较厚，重铸层中含有微裂纹，可能会扩展到基体，造成部件的断裂失效，影响零件的使用寿命。

激光与材料之间相互作用的研究以及激光在材料加工领域的应用研究是从1963年开始的。到目前为止，已经有很多关于毫秒激光打孔的研究，通过理论研究、建模仿真和参数化实验，得出了影响激光打孔结果的参数及影响规律，并对参数进行优化得到较好的打孔结果。对于重铸层的去除也进行了大量实验研究，通过调整参数、二次法激光加工、变脉冲打孔等方式，获得了较小厚度的重铸层。但是，重铸层的去除还存在很多问题，尤其是出口的重铸层厚度较厚，且出口毛刺较多。

发明内容

针对上述现有技术的不足，通过设置数个激光器，激光束经半透镜复合后，再经光谐振腔后，辐照在工件上进行打孔，同时设置电极板，可对重铸层进行消除，另外通过半透镜等结构该装置也可实现在水平方向上的打孔。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，包括数个激光器和半透镜；数个所述激光器发出的激光束经半透镜后，经单向透光镜与光泵及部分反射镜组成的光谐振腔振荡后，再经聚焦透镜聚焦后最终辐照在工件上，实现工件竖直方向的打孔。

进一步的，还包括电极板，所述电极板设置在工件的正上方，通过对电极板与工件通电，同时激光束通过，工件与电极板的空间内会发生气体放电从而消除重铸层。

进一步的，所述工件下方设置有高透光玻璃。

进一步的，所述半透镜一侧设置有激光器，另一侧设置有反射镜，从半透镜出射的光经反射镜反射后再经聚焦透镜聚集后最后辐照在工件上，实现工件水平方向的打孔。

进一步的，所述半透镜与反射镜之间设置有光屏蔽器，可在对工件竖直打孔的时，打开光屏蔽器，从而实现仅竖直方向的打孔。

进一步的，所述半透镜与单向透光镜之间设置有光屏蔽器，可在对工件水平打孔的时，打开光屏蔽器，从而实现仅水平方向的打孔。

进一步的，还包括光学测距仪，光学测距仪用于测量孔深。

进一步的，所述激光器有三个，包括第一激光器、第二激光器和第三激光器，激光器控制器同时控制第一激光器、第二激光器、第三激光器发射三种不同波长的激光束；调节三束不同波长的激光的入射位置配合第一半透镜、第二半透镜组合的光路系统产生一束含有三个不同波长的复色光。

基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置的打孔方法，包括如下步骤：

步骤一：对工件和高透光玻璃进行夹持；

步骤二：第一电脑控制单元控制加工控制单元，加工控制单元控制旋转平台旋转并启动三坐标移动平台使工件处于合适的加工位置；打开第一光学测距仪；

步骤三：电极板以及工件通电，直到它们之间形成静电场；关闭第一光屏蔽器，开启第二光屏蔽器，打开光泵；

步骤四：第一电脑控制单元控制激光器控制器，激光器控制器控制第一激光器、第二激光器、第三激光器分别发射三束不同波长的激光；调整电极板的位置，使得从聚焦透镜出来的激光束可以顺利的通过电极板并最终辐照在工件上；z方向打孔结束后，关闭激光器，旋转平台回到初始位置；第一光学测距仪记录打孔深度和孔距工件各边的距离并反馈到第一电脑控制单元，第一电脑控制单元实时将数据传输到第二电脑控制单元；

步骤五：打开第一光屏蔽器，关闭第二光屏蔽器，打开第三光屏蔽器，旋转平台绕z轴自y至x方向转过90°，第二电脑控制单元根据得到的数据实时调节五轴移动平台，使得经过第二聚焦透镜的激光可以准确的辐照在工件的需加工位置，第一电脑控制单元控制激光器控制器；激光器控制器控制第一激光器、第二激光器、第三激光器分别发射三束不同波长的激光，第二光学测距仪实时监测打孔深度，并传数据回到第二电脑控制单元；等待打孔深度达到所需后，即空间相交孔加工完成，即可停止加工，待工件冷却后取下已加工工件即可。

本发明的具有益效果是：

一.三台激光器发射不同波长的激光经设计的光路后形成一束复色光，由于聚焦透镜对不同波长的光聚焦成像的焦点位置不同，调整三台激光器的波长，可以在工件上形成间距极小且距离相等的对称的三个焦点，三个焦点可以同时进行激光打孔，提高了加工效率。此外，位于中间的焦点和旋转中心竖直方向对齐，旋转工作台带动工件旋转可以使得打出的孔的圆度更好。

二.使三束不同角度不同波长的光融合成为一束较为困难，利用第二激光器照射第二半透镜，经半透镜反射后产生一个竖直向下的激光束。此时，第三激光器发射竖直向下的激光，经过第二半透镜的透光作用和第二激光器产生的反射光复合成一束含有两个不同波长的激光。此时，两个波长的复色光可以透过第一半透镜，和第一激光器被半透镜反射的激光融合。通过以上设计，可以把三束不同激光融合成一束竖直向下的激光。

三.设计了单透镜、光泵和部分反射镜组合的光学谐振腔。由于光在经过光泵时，速度快，无法让激光达到充分充能。部分反射镜保证了有部分激光依然可以反射回去再次经过谐振腔激励充能，而光到达单透镜后又会再次反射向下，不仅让光能够持续充能，又起到了保护光路及设备的作用，从而提高了加工效率，增大了激光器的脉冲能量的上限。

四.激光通过光学谐振腔后。给工件和电极板通电，工件和电极之间形成静电场。当激光通过静电场时产生空气放电。空气放电产生的瞬时高温可以对激光加工后产生的飞溅进行烧蚀处理，这有效减少加工孔的重铸层。

五.工件以高透光玻璃为基底，当激光束加工至工件的底部，由于高温熔化了材料会喷射大量的气体，气体携带烧蚀熔渣和碎片从孔底出去，由于熔渣具有很高的温度会在孔出口处形成重铸层，而在工件底部加高透光玻璃可以将烧蚀熔渣和碎片向上喷出。空气放电会对喷出的熔渣和碎片进行烧蚀处理，这有效减少了孔口处以及孔内壁的重铸层，并且改善了孔口形貌。

六.通过设计的特殊光路结构，可以达到双光路衔接快速加工。当垂直孔加工完成后，第一条光路系统立即被阻断。第二条光路可以即刻进入加工状态，由电脑端得到的数据后，随即调节五轴移动平台使焦点处于要加工的位置。进而可以在无需二次装夹，增加激光器的情况下准确快速的完成空间任意相交孔的加工。

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为加工空间任意角度相交孔的原理图；

附图标记如下：

1-第一电脑控制单元、2-激光器控制器、3-加工控制单元、4-三坐标移动平台、5-旋转平台、6-工件夹具、7-工件、8-第一光学测距仪、9-电极板、10-第一聚焦透镜、11-部分反射镜、12-光泵、13-单向透光镜、14-第一光屏蔽器、15-第一激光器、16-第一半透镜、17-第二激光器、18-第二半透镜、19-第三激光器、20-第二光屏蔽器、21-第一反射镜、22-第三半透镜、23-第二反射镜、24-五轴移动平台、25-第二电脑控制单元、26-第二聚焦透镜、27-第二光学测距仪、28-第三光屏蔽器、6.1-锁紧螺钉、6.2-夹紧板、6.3-锁紧螺母。

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。

工件7下方以高透光玻璃6.4作为基底，所述工件夹具6包括锁紧螺钉6.1夹紧板6.2、锁紧螺栓6.3；第一电脑控制单元1连接激光控制器2，激光控制器2控制第一激光器15、第二激光器17、第三激光器19分别发射不同波长的激光束；三束不同波长的激光经过第一半透镜16和第二半透镜18的组合光路后形成一束复色光。复色光在单向透光镜13和光泵12以及部分反射镜11所形成的光谐振腔振荡后，经第一聚焦透镜10聚焦后通过电极板9最终辐照在工件7上。

第一光屏蔽器14、第二光屏蔽器20用来阻挡激光的通过。单向透光镜13、光泵12以及部分反射镜11组合形成光谐振腔。单向透光镜13只能透过自上向下的激光，由部分反射镜11反射的光经光泵12的激励空间后会被单向透光镜13全部反射回来；复色光是一束含有三个不同波长的激光束，经过第一聚焦透镜10后会在工件7的表面形成间距极小的三个焦点。工件夹具6安装在旋转工作台5上，旋转工作台5安装在三坐标移动平台4上，对工件7通电，在工件7和电极板9之间形成静电场。激光通过此空间时，在工件7与电极板9的空间内会发生气体放电现象。第一光学测距仪8连接加工控制单元3。第一光学测距仪8实时监测打孔的深度并测量孔到工件各边的距离。并最终反馈数据到第一电脑控制单元1，第一反射镜21和第三半透镜22组合产生了第二条光路。第二条光路经第二反射镜23后。最后经过第二聚焦透镜26辐照在工件7上。第二光学测距仪27实时监测打孔深度，第二电脑控制单元25接受第一电脑单元1反馈的数据后，调节五轴移动平台24移动找到打孔位置，从而可以打出空间任意角度的相交孔。第二光路的激光也是一束含有三个波长的复色光，复色光经过第二聚焦透镜26后，会在工件7上产生3个焦点。电极板9上开有圆孔，经第一聚焦透镜10聚焦后的激光可以从电极板9上的圆孔通过并最终辐照在工件7上。

结合附图1，一种基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，包括第一电脑控制单元1、激光器控制器2、加工控制单元3、三坐标移动平台4、旋转平台5、工件夹具6、工件7、第一光学测距仪8、电极板9、第一聚焦透镜10、部分反射镜11、光泵12、单向透光镜13、第一光屏蔽器14、第一激光器15、第一半透镜16、第二激光器17、第二半透镜18、第三激光器19、第二光屏蔽器20、第一反射镜21、第三半透镜22、第二反射镜23、五轴移动平台24、第二电脑控制单元25、第二聚焦透镜26、第二光学测距仪27、第三光屏蔽器28。

所述第一电脑控制单元1控制激光控制器2，激光控制器2控制第一激光器15、第二激光器17、第三激光器19发射不同波长的激光，调整三台激光器的入射角度；三台激光器配合第一半透镜16、第二半透镜18组成的第一光路系统产生一束复色光，复色光经过单向透光镜13和光泵12以及部分反射镜11组成的光谐振腔后，经第一聚焦透镜10聚焦后通过电极板9上的小孔最终辐照在工件7上；由于复色光含有三束不同波长的激光，所以经过第一聚焦透镜10后在工件7上形成三个间距极小的焦点，配合旋转工作台5进行打孔。光谐振腔激励复色光中的光粒子从低能级转化到高能级。给工件7通电，电极板9和工件7之间产生气体放电，气体放电产生瞬时高温对加工后喷溅的碎片进行处理。第一光学测距仪8实时监测垂直孔的深度并及时反馈到第一电脑控制单元1。此外，设计了第二条加工光路。通过第一半透镜16和第二半透镜18的激光又经过第三半透镜22和第一反射镜21组合后产生第二条加工光路的含有三波长的复色光，复色光经过第二反射镜23后经过第二聚焦透镜26聚焦后在工件7上产生3个间距极小的焦点。此时，根据电脑控制单元1传回的距离参数，第二电脑控制单元调节五轴平台24，使得焦点处于需加工位置。开始加工。结合附图2，所述工件夹具6包括锁紧螺钉6.1、夹紧板6.2、锁紧螺母6.3、高透光玻璃6.4。所述夹紧板6.2配合锁紧螺母6.3和锁紧螺钉6.1对工件7和高透光玻璃6.4进行夹持。

结合附图3，工件7上的竖直孔H的深度以及到工件边缘的距离D由光学测距仪可以方便测出，测出的数据反馈到电脑控制单元。以低功率开启第二条横向光路加工系统，假设要加工如图3所示的相交角度为a的孔，由已知的距离D和相交角度a，可得到T，即激光焦点作用在工件上的位置。此时转动五轴平台使得激光向z轴负方向转过角度a。接着向上移动五轴平台一定距离，直到激光焦点位于F点，即完成对刀。下面开始加工，通孔完成后，即可停止加工。若要打角度为b的相交孔，原理同上。当相交角度为90°时候，即是加工空间垂直孔，由已知的H即可完成垂直孔的加工。

所述电极板中间开有小孔，以便激光束可以顺利通过电极板并最终辐照在工件上。

所述通过光屏蔽器的开关来分别使两条光路并行或错开加工。

所述工件通电，在工件和电极板间形成静电场。

所述经聚焦透镜后的复色光会在工件上形成三个间距极小的焦点，调节三台激光器的波长，使焦点呈对称分布，中间的焦点和旋转平台的旋转中心在一条直线上。

一种基于激光放电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7和高透光玻璃6.4进行夹持；

步骤二：第一电脑控制单元1控制加工控制单元3。加工控制单元3控制旋转平台旋转并启动三坐标移动平台4使工件7处于合适的加工位置；打开第一光学测距仪8。

步骤三：给电极板9以及工件7通电，直到它们之间形成静电场；关闭第一光屏蔽器14，开启第二光屏蔽器20。打开光泵12。

步骤四：第一电脑控制单元1控制激光器控制器2。激光器控制器2控制第一激光器15、第二激光器17、第三激光器19分别发射三束不同波长的激光。调整电极板9的位置，使得从聚焦透镜出来的激光束可以顺利的通过电极板9并最终辐照在工件7上。z方向打孔结束后，关闭激光器，旋转平台5回到初始位置。第一光学测距仪8记录打孔深度和孔距工件各边的距离并反馈到第一电脑控制单元1。第一电脑控制单元实时将数据传输到第二电脑控制单元25。

步骤五：打开第一光屏蔽器14，关闭第二光屏蔽器20，打开第三光屏蔽器28。旋转平台5绕z轴自y至x方向转过90°。第二电脑控制单元25根据得到的数据实时调节五轴移动平台24，使得经过第二聚焦透镜26的激光可以准确的辐照在工件7的需加工位置。第一电脑控制单元1控制激光器控制器2。激光器控制器2控制第一激光器15、第二激光器17、第三激光器19分别发射三束不同波长的激光。第二光学测距仪27实时监测打孔深度，并传数据回到第二电脑控制单元25。等待打孔深度达到所需后，即空间相交孔加工完成，即可停止加工。待工件冷却后取下工件即可。

工作过程原理：电脑控制单元控制激光控制器。激光控制器控制第一激光器、第二激光器、第三激光器发射不同波长的激光。调整三台激光器的入射角度。三台激光器配合第一半透镜、第二半透镜组成的第一光路系统产生一束复色光。复色光经过单向透光镜和光泵以及部分反射镜组成的光谐振腔后，复色光在光谐振腔内被激励，光粒子会从低能级被激发到高能级。这大大提高了激光的加工强度，提高了加工效率。经第一聚焦透镜聚焦后通过电极板上的小孔最终辐照在工件上。由于复色光含有三束不同波长的激光，所以经过第一聚焦透镜后在工件上形成三个间距极小的焦点。配合旋转工作台进行打孔。这可以使得打出的孔的圆度更好，并且由于三个焦点同时加工，提高了加工的速度。给工件7通电，电极板9和工件7之间产生气体放电，气体放电产生瞬时高温对加工后喷溅的碎片进行处理。这有效克服了加工后孔产生重铸层的缺点，改善了打孔的质量。第一光学测距仪实时监测垂直孔的深度以及孔离工件各边的距离并及时反馈到第一电脑控制单元。此外，设计了第二条加工光路。通过第一半透镜和第二半透镜的激光又经过第三半透镜和第一反射镜组合后产生第二条加工光路的含有三波长的复色光，复色光束经过第二聚焦透镜聚焦后在工件上产生3个间距极小的焦点。此时，根据电脑控制单元1传回的距离参数，第二电脑控制单元调节五轴平台，使得焦点处于需加工位置。这实现了，在无需二次装夹工件的情况下同时加工垂直孔和横向孔，并且，无需增设激光器。发明的双光路加工可灵活调节，可实现双光路并行或非并行加工。

通过设计让三台不同波长的激光器同时发射激光，调整三台激光器的入射角度，三台激光器配合半透镜组成的光路系统产生一束复色光。复色光经过单向透光镜和光泵以及部分反射镜组成的光谐振腔后，经聚焦透镜聚焦后通过电极板上的小孔最终辐照在工件上。由于复色光含有三束不同波长的激光，所以经过聚焦透镜后在工件上形成三个间距极小的焦点。配合旋转工作台进行打孔。光谐振腔激励复色光中的光粒子从低能级转化到高能级。此外，设计了另一条加工光路。第二条加工光路也是个含有三波长的复色光。复色光束经过聚焦透镜聚焦后在工件上产生3个间距极小的焦点。此时，根据电脑控制单元传回的距离参数，调节五轴平台，使得激光入射角度能让焦点处于需加工位置。最终可以实现空间任意角度相交孔的加工。最后，电极板和工件之间产生气体放电，气体放电产生瞬时高温对加工后喷溅的碎片进行处理。通过上述设计来解决现有技术中存在的重铸层和毛刺问题，另外工件底部放置高透光玻璃，进一步防止因孔出口处没有空气放电导致的熔融物飞溅以及重铸层的问题。

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。

Claims (6)

1.一种基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，包括数个激光器和半透镜；数个所述激光器发出的激光束经半透镜后，经单向透光镜(13)与光泵(12)及部分反射镜(11)组成的光谐振腔振荡后，再经聚焦透镜(10)聚焦后最终辐照在工件(7)上，实现工件(7)竖直方向的打孔；所述半透镜一侧设置有激光器，另一侧设置有反射镜，从半透镜出射的光经反射镜反射后再经聚焦透镜聚集后最后辐照在工件(7)上，实现工件(7)水平方向的打孔；还包括电极板(9)，所述电极板(9)设置在工件(7)的正上方，通过对电极板(9)与工件(7)通电，同时激光束通过，工件(7)与电极板(9)的空间内会发生气体放电从而消除重铸层；所述工件(7)下方设置有高透光玻璃(6.4)。

2.根据权利要求1所述的基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述半透镜与反射镜之间设置有光屏蔽器，可在对工件(7)竖直打孔的时，打开光屏蔽器，从而实现仅竖直方向的打孔。

3.根据权利要求1所述的基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述半透镜与单向透光镜(13)之间设置有光屏蔽器，可在对工件(7)水平打孔的时，打开光屏蔽器，从而实现仅水平方向的打孔。

4.根据权利要求1所述的基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，还包括光学测距仪(27)，光学测距仪(27)用于测量孔深。

5.根据权利要求1所述的基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述激光器有三个，包括第一激光器(15)、第二激光器(17)和第三激光器(19)，激光器控制器(2)同时控制第一激光器(15)、第二激光器(17)、第三激光器(19)发射三种不同波长的激光束；调节三束不同波长的激光的入射位置配合第一半透镜(16)、第二半透镜(18)组合的光路系统产生一束含有三个不同波长的复色光。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于激光放电改善制孔质量的激光打孔装置的打孔方法，包括如下步骤：

步骤一：对工件(7)和高透光玻璃(6.4)进行夹持；

步骤二：第一电脑控制单元(1)控制加工控制单元(3)，加工控制单元(3)控制旋转平台旋转并启动三坐标移动平台(4)使工件(7)处于合适的加工位置；打开第一光学测距仪(8)；

步骤三：电极板(9)以及工件(7)通电，直到它们之间形成静电场；关闭第一光屏蔽器(14)，开启第二光屏蔽器(20)，打开光泵(12)；

步骤四：第一电脑控制单元(1)控制激光器控制器(2)，激光器控制器(2)控制第一激光器(15)、第二激光器(17)、第三激光器(19)分别发射三束不同波长的激光；调整电极板(9)的位置，使得从聚焦透镜出来的激光束可顺利的通过电极板(9)并最终辐照在工件(7)上；z方向打孔结束后，关闭激光器，旋转平台(5)回到初始位置；第一光学测距仪(8)记录打孔深度和孔距工件各边的距离并反馈到第一电脑控制单元(1)，第一电脑控制单元实时将数据传输到第二电脑控制单元(25)；

步骤五：打开第一光屏蔽器(14)，关闭第二光屏蔽器(20)，打开第三光屏蔽器(28)，旋转平台(5)绕z轴自y至x方向转过90°，第二电脑控制单元(25)根据得到的数据实时调节五轴移动平台(24)，使得经过第二聚焦透镜(26)的激光可准确的辐照在工件(7)的需加工位置，第一电脑控制单元(1)控制激光器控制器(2)；激光器控制器(2)控制第一激光器(15)、第二激光器(17)、第三激光器(19)分别发射三束不同波长的激光，第二光学测距仪(27)实时监测打孔深度，并传数据回到第二电脑控制单元(25)；等待打孔深度达到所需后，即空间相交孔加工完成，即可停止加工，待工件冷却后取下已加工工件即可。

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