CN111001941B - 激光打孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种激光打孔方法，包括将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面；从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工，以形成待加工孔，其中，在穿透加工中，激光束在待加工面上的路径为第一螺旋线，激光束沿第一螺旋线在待加工面上运动所形成的形状为圆形；在定型加工中，激光束在待加工面上的路径为第二螺旋线，激光束沿第二螺旋线在待加工面上运动所形成的形状为第一圆环；在优化表面加工中，激光束在待加工面上的路径为第三螺旋线，激光束沿第三螺旋线在待加工面上运动所形成的形状为第二圆环；同时，吹走加工产生的粉尘和熔渣，保证孔内壁较为光滑。

Description

激光打孔方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种激光打孔方法。
背景技术
在燃油喷射结构中，喷孔质量是影响燃烧质量的主要因素，随着排放要求的日益严格，喷射结构的加工质量要求逐渐提升，主要表现在以下几个方面，第一，喷孔的精度，包含位置精度、孔形、内壁粗糙度、残留物等；第二，孔形的控制，不同锥度的孔以适应喷射需求。
以喷油器为例，喷油器装在发动机气缸盖上，作用是将燃油雾化成较细的颗粒，并经过喷油嘴喷孔喷入到燃烧室中和空气形成良好的可燃混合汽，从而提高燃烧效率。内壁粗糙度是衡量喷油嘴喷孔加工质量的重要指标。现有的激光加工喷孔的方法，直接从喷孔的边缘进行切割，在加工过程中，产生大量的粉尘和熔渣，难以排出，存在孔壁有毛刺和重铸层热量堆积严重的问题，导致喷孔内壁粗糙度较大，即喷孔内壁不光滑。
需要说明的是，在其他的对于孔的内壁加工要求高的领域中，也存在上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光打孔方法，以缓解现有技术中存在的直接从喷孔的边缘进行切割，在加工过程中，产生大量的粉尘和熔渣，难以排出，存在孔壁有毛刺和重铸层热量堆积严重的问题，导致喷孔内壁粗糙度较大，即喷孔内壁不光滑的技术问题。
基于上述目的，本发明提供了一种激光打孔方法，所述方法包括以下步骤：
将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面；
从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工，以形成待加工孔，其中，在穿透加工中，所述激光束在所述待加工面上的路径为第一螺旋线，所述激光束沿所述第一螺旋线在所述待加工面上运动所形成的形状为圆形；在定型加工中，所述激光束在所述待加工面上的路径为第二螺旋线，所述激光束沿所述第二螺旋线在所述待加工面上运动所形成的形状为第一圆环；在优化表面加工中，所述激光束在所述待加工面上的路径为第三螺旋线，所述激光束沿所述第三螺旋线在所述待加工面上运动所形成的形状为第二圆环；所述第二圆环的外径为Dcw，Dcw＝Dc-eDF，所述第二圆环的内径为Dcn，Dcn＝Dcw-dDF，所述第三螺旋线的层间距为LC，LC＝cDF；
所述第一圆环的外径为Dbw，Dbw＝Dcn+aDF，所述第一圆环的内径为Dbn，Dbn＝Dbw-dDF，所述第二螺旋线的层间距为LB，LB＝bDF；
所述圆形的直径为DA，DA＝Dbn+aDF，所述第一螺旋线的层间距为LA，LA＝bDF；
其中，Dc为所述待加工孔的入口加工孔径，DF为聚焦光斑的直径，系数a的范围为0.2～0.35，系数b的范围为0.45～0.7，系数c的范围为0.6～0.8，系数d的范围为1.2～1.8，系数e的范围为1.2～2.2；
在进行穿透加工、定型加工和优化表面加工的同时，吹走加工产生的粉尘和熔渣。
可选地，在某些实施方式中，在将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面之前，还包括调整激光束的步骤：根据待加工孔的锥度，改变所述激光束的中心线与所述待加工孔的中心线之间所成的角的角度。
可选地，在某些实施方式中，所述角度为0°～-11°。
可选地，在某些实施方式中，所述聚焦光斑的直径DF为15～36μm。
可选地，在某些实施方式中，采用旋切系统改变所述激光束的中心线与所述待加工孔的中心线之间所成的角的角度，所述旋切系统设置有同轴辅助吹吸装置，在从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工的步骤之前，还包括开启所述同轴辅助吹吸装置的步骤。
可选地，在某些实施方式中，在将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面的步骤之前，还包括采用偏振模块将线偏振光转变为圆偏振光的步骤。
可选地，在某些实施方式中，所述偏振模块包括电机和半波片，所述半波片与所述电机的动力输出轴连接，所述半波片用于接收所述飞秒激光器发射的激光束。
可选地，在某些实施方式中，所述飞秒激光器的脉宽为300fs～1ps，单脉冲能量大于40μJ，所述飞秒激光器发射的激光束为红外光、紫外光或绿光，所述飞秒激光器的频率为30kHz～1000kHz。
可选地，在某些实施方式中，在将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面的步骤之前，还包括将所述工件固定于运动系统的夹具上，通过定位系统确定所述运动系统的运动位置及角度的步骤，以使所述工件的待加工面处于加工位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：
本发明提供的激光打孔方法，所述方法包括以下步骤：
本发明提供的激光打孔方法，采用飞秒激光器，并结合从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工，能够有效减少在加工过程中产生的粉尘和熔渣，同时，通过压缩气体辅助装置快速吹走加工产生的少量粉尘和熔渣，有效缓解了孔壁有毛刺和重铸层热量堆积严重的问题，保证喷孔内壁较为光滑。在实施时，将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面，开启压缩气体辅助装置，然后进行穿透加工，激光束沿第一螺旋线运动，形成通孔，随着激光束对工件进行加工，压缩气体辅助装置能够将加工产生的少量粉尘和熔渣快速吹走；再进行定型加工，激光束沿第二螺旋线运动，由于有通孔的存在，激光束在所述待加工面所形成的形状为第一圆环，随着激光束对工件进行定型加工，形成了直径更大的通孔，压缩气体辅助装置能够将定型加工产生的少量粉尘和熔渣快速吹走；最后再进行优化表面加工，激光束沿第三螺旋线运动，由于有直径更大的通孔的存在，激光束在所述待加工面所形成的形状为第二圆环，随着激光束对工件进行优化表面加工，形成了待加工孔，压缩气体辅助装置能够将优化表面加工产生的少量粉尘和熔渣快速吹走，在加工过程中，圆形与第一圆环之间以及第一圆环与第二圆环之间存在叠加区域，按照本发明给出的工艺参数进行加工，确保叠加区域的准确加工，才能够有效减少热累积，保证待加工孔的内壁较为光滑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的激光打孔方法中的从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工所去除的各部分的理想加工轮廓示意图；
图2为本发明实施例提供的激光打孔方法中的第一螺旋线的示意图；
图3为本发明实施例提供的激光打孔方法中的第二螺旋线的示意图；
图4为本发明实施例提供的激光打孔方法中的第三螺旋线的示意图；
图5为本发明实施例提供的激光打孔方法在待加工面上的实际加工轮廓示意图；
图6为按照本发明实施例提供的激光打孔方法加工的孔的电镜扫描图；
图7为实施本发明实施例提供的激光打孔方法的设备的示意图。
图标：101-圆形；102-第一圆环；103-第二圆环；104-第一螺旋线；105-第二螺旋线；106-第三螺旋线；107-飞秒激光器；108-扩束镜；109-偏振模块；110-折返镜；111-定焦模块；112-旋切系统；113-定位系统；114-运动系统；115-压缩气体辅助装置；116-第一叠加区域；117-第二叠加区域。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例一
参见图1至图7所示，本实施例提供了一种激光打孔方法，包括以下步骤：
将飞秒激光器107发射的激光束聚焦于工件的待加工面；
从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工，以形成待加工孔，其中，在穿透加工中，激光束在待加工面上的路径为第一螺旋线104，激光束沿第一螺旋线104在待加工面上运动所形成的形状为圆形101；在定型加工中，激光束在待加工面上的路径为第二螺旋线105，激光束沿第二螺旋线105在待加工面上运动所形成的形状为第一圆环102；在优化表面加工中，激光束在待加工面上的路径为第三螺旋线106，激光束沿第三螺旋线106在待加工面上运动所形成的形状为第二圆环103；第二圆环103的外径为Dcw，Dcw＝Dc-eDF，第二圆环103的内径为Dcn，Dcn＝Dcw-dDF，第三螺旋线106的层间距为LC，LC＝cDF；第一圆环102的外径为Dbw，Dbw＝Dcn+aDF，第一圆环102的内径为Dbn，Dbn＝Dbw-dDF，第二螺旋线105的层间距为LB，LB＝bDF；圆形101的直径为DA，DA＝Dbn+aDF，第一螺旋线104的层间距为LA，LA＝bDF；其中，Dc为待加工孔的入口加工孔径，DF为聚焦光斑的直径，系数a的范围为0.2～0.35，系数b的范围为0.45～0.7，系数c的范围为0.6～0.8，系数d的范围为1.2～1.8，系数e的范围为1.2～2.2；
在进行穿透加工、定型加工和优化表面加工的同时，吹走加工产生的粉尘和熔渣。
本发明实施例提供的激光打孔方法，采用飞秒激光器107，并结合从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工，能够有效减少在加工过程中产生的粉尘和熔渣，同时，本实施例采用压缩气体辅助装置115快速吹走加工产生的少量粉尘和熔渣，有效缓解了孔壁有毛刺和重铸层热量堆积严重的问题，保证喷孔内壁较为光滑。在实施时，将飞秒激光器107发射的激光束聚焦于工件的待加工面，开启压缩气体辅助装置115，然后进行穿透加工，激光束沿第一螺旋线104运动，形成通孔，随着激光束对工件进行加工，压缩气体辅助装置115能够将加工产生的少量粉尘和熔渣快速吹走；再进行定型加工，激光束沿第二螺旋线105运动，由于有通孔的存在，激光束在待加工面所形成的形状为第一圆环102，随着激光束对工件进行定型加工，形成了直径更大的通孔，压缩气体辅助装置115能够将定型加工产生的少量粉尘和熔渣快速吹走；最后再进行优化表面加工，激光束沿第三螺旋线106运动，由于有直径更大的通孔的存在，激光束在待加工面所形成的形状为第二圆环103，随着激光束对工件进行优化表面加工，形成了待加工孔，压缩气体辅助装置115能够将优化表面加工产生的少量粉尘和熔渣快速吹走，在加工过程中，圆形与第一圆环之间以及第一圆环与第二圆环之间存在叠加区域，参见图5所示，Dbn范围和DA范围之间存在第一叠加区域116，Dbw范围与Dcn范围之间存在第二叠加区域117，按照本发明实施例给出的工艺参数进行加工，确保叠加区域的准确加工，才能够有效减少热累积，保证待加工孔的内壁较为光滑。
本实施例中，穿透加工的主要目的是穿透材料，有利于粉尘的排出。在进行穿透加工时，锥度是基本确定的，由于有粉尘堆积的影响，出口成型质量通常不稳定，内壁不光滑，需要定型加工来进一步定型。最后再进行优化表面加工，得到较为光滑的表面。
可选地，压缩气体辅助装置115需满足气压在0.2～1.0MPa，气体为压缩空气或者氮气。
经过多次试验，根据经验总结出上述加工参数，结合飞秒激光器107，能够保证所加工的孔具有光滑的内壁。参见图6所示，按照本实施例提供的激光打孔方法加工的孔，具有光滑的内壁。
可选地，在某些实施方式中，在将飞秒激光器107发射的激光束聚焦于工件的待加工面之前，还包括调整激光束的步骤：根据待加工孔的锥度，改变激光束的中心线与待加工孔的中心线之间所成的角的角度。
在喷油嘴喷孔的加工中，不一定都是圆形的通孔，有些是带有锥度的孔，本实施例采用旋切系统112改变激光束的中心线与待加工孔的中心线之间所成的角的角度，从而能够加工不同锥度的孔。
可选地，在某些实施方式中，激光束的中心线与待加工孔的中心线之间所成的角的角度为0°～-11°。在实际加工中，实际加工的角度等于激光束的中心线与待加工孔的中心线之间所成的角的角度加上一个偏差值，该偏差值通常为3°～5°，这样的方式能够用来加工锥度范围为+3°～-8°的喷孔。而实际操作时，偏差值是默认校准的，因此，能够用来加工锥度范围为+5°～-7°的喷孔。
可选地，在某些实施方式中，聚焦光斑的直径DF为15～36μm。
可选地，在某些实施方式中，采用旋切系统112改变激光束的中心线与待加工孔的中心线之间所成的角的角度，旋切系统112设置有同轴辅助吹吸装置，在从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工的步骤之前，还包括开启同轴辅助吹吸装置的步骤。这样的方式能够去除加工过程中产生的粉尘，并实现粉尘的收集。
需要说明的是，旋切系统112为现有技术，其结构不再详细描述。
可选地，在某些实施方式中，在将飞秒激光器107发射的激光束聚焦于工件的待加工面的步骤之前，还包括采用偏振模块109将线偏振光转变为圆偏振光的步骤。
这样的方式能够有效改善打孔过程中侧壁的偏振吸收引起底面不圆的现象，保证孔的横截面的形状为圆形。
可选地，在某些实施方式中，偏振模块109包括电机和半波片，半波片与电机的动力输出轴连接，半波片用于接收飞秒激光器107发射的激光束。
可选地，在某些实施方式中，飞秒激光器107的脉宽为300fs～1ps、单脉冲能量大于40μJ，飞秒激光器107发射的激光束为红外光、紫外光或绿光，飞秒激光器107的频率为30kHz～1000kHz。采用本实施例中的飞秒激光器107，并结合本实施例提供的加工方式，能够提高孔的内壁质量，保证喷孔具有光滑的内壁。
可选地，在某些实施方式中，在将飞秒激光器107发射的激光束聚焦于工件的待加工面的步骤之前，还包括将工件固定于运动系统114的夹具上，通过定位系统113确定运动系统114的运动位置及角度的步骤，以使工件的待加工面处于加工位置。
运行系统为现有的五轴联动平台。定位系统113能够实现需求位置的定点加工。
参见图7所示，本实施例还提供了一种用于实现激光打孔方法的设备，包括飞秒激光器107，扩束镜108，偏振模块109，折返镜110，定焦模块111，旋切系统112，定位系统113，运动系统114和气体辅助装置，飞秒激光器107发出的激光束依次经过扩束镜108，偏振模块109，折返镜110、定焦模块111和旋切系统112，打在工件的待加工面上。
综上所述，本发明实施例提供的激光打孔方法特别适用于喷油嘴喷孔的加工，因为喷油嘴喷孔对内壁质量、加工精度以及加工角度都有需求，本发明实施例通过可改变角度的旋切系统112，实现了不同角度的锥孔的加工，通过采用定位系统113，提升了喷油嘴打孔过程中的重复定位精度，通过限定光源脉宽，提升了内壁质量，更重要的是，通过本发明实施例设定的加工方式，保证喷孔具有光滑的内壁。尤其对于对内壁要求高的小孔，主要存在的是内壁粉尘难以快速排出和重铸层热量堆积等问题，本发明实施例通过先穿孔、定型，确定锥度，再优化表面，能够减少因小孔加工过程中粉尘难以排除而形成热累积，进而造成堆积热的影响。按照本发明实施例提供的激光打孔方法加工喷油嘴喷孔，能够有效减小热累积，保证喷孔具有光滑的内壁。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种激光打孔方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面；
从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工，以形成待加工孔，其中，在穿透加工中，所述激光束在所述待加工面上的路径为第一螺旋线，所述激光束沿所述第一螺旋线在所述待加工面上运动所形成的形状为圆形；在定型加工中，所述激光束在所述待加工面上的路径为第二螺旋线，所述激光束沿所述第二螺旋线在所述待加工面上运动所形成的形状为第一圆环；在优化表面加工中，所述激光束在所述待加工面上的路径为第三螺旋线，所述激光束沿所述第三螺旋线在所述待加工面上运动所形成的形状为第二圆环；所述第二圆环的外径为Dcw，Dcw＝Dc-eDF，所述第二圆环的内径为Dcn，Dcn＝Dcw-dDF，所述第三螺旋线的层间距为LC，LC＝cDF；
所述第一圆环的外径为Dbw，Dbw＝Dcn+aDF，所述第一圆环的内径为Dbn，Dbn＝Dbw-dDF，所述第二螺旋线的层间距为LB，LB＝bDF；
所述圆形的直径为DA，DA＝Dbn+aDF，所述第一螺旋线的层间距为LA，LA＝bDF；
其中，Dc为所述待加工孔的入口加工孔径，DF为聚焦光斑的直径，系数a的范围为0.2～0.35，系数b的范围为0.45～0.7，系数c的范围为0.6～0.8，系数d的范围为1.2～1.8，系数e的范围为1.2～2.2；
圆形与第一圆环之间以及第一圆环与第二圆环之间存在叠加区域；
在进行穿透加工、定型加工和优化表面加工的同时，吹走加工产生的粉尘和熔渣。
2.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，在将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面之前，还包括调整激光束的步骤：根据待加工孔的锥度，改变所述激光束的中心线与所述待加工孔的中心线之间所成的角的角度。
3.根据权利要求2所述的激光打孔方法，其特征在于，所述角度为0°～-11°。
4.根据权利要求2所述的激光打孔方法，其特征在于，所述聚焦光斑的直径DF为15～36μm。
5.根据权利要求2所述的激光打孔方法，其特征在于，采用旋切系统改变所述激光束的中心线与所述待加工孔的中心线之间所成的角的角度，所述旋切系统设置有同轴辅助吹吸装置，在从待加工孔的中心沿径向向外依次进行穿透加工、定型加工和优化表面加工的步骤之前，还包括开启所述同轴辅助吹吸装置的步骤。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光打孔方法，其特征在于，在将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面的步骤之前，还包括采用偏振模块将线偏振光转变为圆偏振光的步骤。
7.根据权利要求6所述的激光打孔方法，其特征在于，所述偏振模块包括电机和半波片，所述半波片与所述电机的动力输出轴连接，所述半波片用于接收所述飞秒激光器发射的激光束。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的激光打孔方法，其特征在于，所述飞秒激光器的脉宽为300fs～1ps，单脉冲能量大于40μJ，所述飞秒激光器发射的激光束为红外光、紫外光或绿光，所述飞秒激光器的频率为30kHz～1000kHz。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的激光打孔方法，其特征在于，在将飞秒激光器发射的激光束聚焦于工件的待加工面的步骤之前，还包括将所述工件固定于运动系统的夹具上，通过定位系统确定所述运动系统的运动位置及角度的步骤，以使所述工件的待加工面处于加工位置。
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