CN111014943A - 一种双光源复合激光加工设备及加工方法 - Google Patents

一种双光源复合激光加工设备及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双光源复合激光加工设备及加工方法，包括长脉冲激光组件、超快激光组件、加工组件以及控制系统，所述长脉冲激光组件用于对待加工工件进行粗加工；所述超快皮秒激光组件对粗加工后的工件进行精加工；所述加工组件用于实施加工过程；所述控制系统用于控制长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件。本发明克服了长脉冲加工过程中容易产生涂层脱落，孔形貌差等特点，保证了孔形貌的质量提高了超快激光的加工效率，实现了带涂层的大型薄壁件群孔高质高效的加工。

Description

一种双光源复合激光加工设备及加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体的涉及一种双光源复合激光加工设备及加工方法。
背景技术
目前激光加工技术已经被应用到了机械制造、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，加工精度高，因此被广泛应用于打孔、切割、焊接和热处理等领域。气膜孔冷却技术和热障涂层是改善火焰筒工作环境的两种有效手段，两者相辅相成，热障涂层的隔热效果直接与气膜冷却工艺的设计相关。当涂层材料、厚度、喷涂工艺等条件一定时，气膜孔冷却状态直接影响涂层隔热效果。然而随着航空航天技术的发展，单一气膜孔技术或热障涂层技术已经无法满足火焰筒在高温等恶劣环境下的使用，人们开始在高温合金涂层上加工异形孔以满足更高的要求。这其中带涂层的高温合金异形孔的加工给制造业带来了新的挑战。
目前经过长脉冲冲孔加工、超快激光旋切扫描加工、双光源复合激光高柔性智能加工。人们尝试通过长脉冲大功率激光加工，但是长脉冲大功率激光加工过程中出现各种问题，长脉冲大功率激光加工容易造成涂层的脱落，在涂层和金属层的结合处产生裂纹，大多长脉冲大功率激光无法加工异形孔，且能加工的加工出的零件表面粗糙并且有残渣留在表面。单独使用超快激光旋切扫描加工虽然可以避免长脉冲加工过程中的问题，而且能加工出所需各种异形孔，但是加工效率太低，而带涂层的大型薄壁件如火焰筒等一般有几万个孔，这么多群孔的加工需要很长的时间；另一方面超快激光加工由于功率没有长脉冲高，不能迅速将孔打通，长时间加工过程中会产生热量的积累，在零件的反面出现较大的热影响区域。
发明内容
本发明提供所述的一种双光源复合激光加工设备的加工方法，克服了长脉冲加工过程中容易产生涂层脱落，孔形貌差等特点，还保证了孔形貌的质量提高了超快激光的加工效率，实现了带涂层的大型薄壁件群孔高质高效的加工。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种双光源复合激光加工设备，包括长脉冲激光组件、超快激光组件、加工组件以及控制系统，
所述长脉冲激光组件包括第一激光器、第一反射镜和平行平板；所述长脉冲激光组件用于对待加工工件进行粗加工；
所述超快激光组件包括第二激光器、扩束器、拨片和第二反射镜；所述超快激光组件对粗加工后的工件进行精加工；
所述加工组件包括加工头、聚焦镜和气嘴；所述加工组件用于实施加工过程；
所述控制系统用于控制长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件；
其中，所述第一激光器为毫秒激光器，所述第二激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。
优选的是，还包括用于搭载待加工工件的机械臂，所述机械臂由控制系统进行控制。
优选的是，所述加工组件还包括用于测量距离的激光测距仪。
优选的是，所述加工组件还包括用于观察加工状况的CCD相机。
优选的是，所述加工组件还包括用于排渣的吹气装置，所述吹气装置为压缩空气机。
优选的是，所述加工组件还包括用于除去加工粉尘的除尘装置，所述除尘装置为除尘机。
优选的是，所述长脉冲激光组件和超快激光组件均安装在龙门架上。
本发明的另一个目的是，还提供一种双光源复合激光加工设备的加工办法，包括以下步骤：
S1、启动加工按钮，控制系统控制机械臂搭载工件夹具，在上料台上拾取待加工工件并夹紧，并将待加工工件移送至待加工位置；
S2、加工工件到达待加工位置时，控制系统打开激光测距仪并下降龙门架Z轴测量焦距，确定最佳加工位置；
S3、关闭激光测距仪，控制系统控制吹气装置和除尘装置开始工作；
S4、控制系统控制长脉冲激光组件开始工作，由毫秒激光器发射激光、依次经过第一反射镜、平行平板、加工头、聚焦镜以及气嘴对待加工工件进行粗加工；
S5、步骤S4加工完成后控制系统控制龙门架Z轴上或下移动，使超快激光组件对准加工组件再进行精加工，由飞秒激光器或皮秒激光器发射激光，依次经过扩束器、拨片、第二反射镜、加工头、聚焦镜以及气嘴对粗加工的工件进行精加工，同时使用CCD相机观察加工情况；
S6、加工完成后，控制系统控制龙门架Z轴下或上移动，进行复位，再继续重复在步骤S2至S5，直到工件上所有需加工的部位加工完成；
S7、控制系统关闭吹气装置、除尘装置、长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件。
优选的是，所述控制系统内预设有长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件的加工参数。
本发明的有益效果：
1、本发明通过将长脉冲激光和超快激光复合进行材料加工，保证的孔形貌的质量，提高了加工效率。
2、本发明将机器人与双光源进行系统集成，实现了高柔性智能加工，实现全自动化、高度便捷化操作，降低人工成本，提高了加工效率。
3、本发明所设计加工设备固定，不仅双光源可以单独使用，而且通过改变相关工艺参数及机械臂移动速度和轨迹即可实现不同工艺要求产品的加工，对不同产品不同形貌要求的零件具有良好的适应性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明其中一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一反射镜和第二反射镜等是用于区别不同的反射镜，而不是用于描述反射镜的特定顺序。
下面结合附图对本发明实施例进行进一步说明。
如图1所示，在本发明实施例提供的一种双光源复合激光加工设备，包括长脉冲激光组件、超快激光组件、加工组件以及控制系统，所述长脉冲激光组件包括第一激光器5、第一反射镜6和平行平板7；所述长脉冲激光组件用于对待加工工件进行粗加工；所述超快激光组件包括第二激光器1、扩束器2、拨片3和第二反射镜4；所述超快激光组件对粗加工后的工件进行精加工；所述加工组件包括加工头8、聚焦镜11和气嘴12；所述加工组件用于实施加工过程；所述控制系统用于控制长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件；其中，所述第一激光器为毫秒激光器，所述第二激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。通过将长脉冲激光和超快激光进行复合，并集成机器人建立双光源复合激光高柔性智能加工平台，解决了长脉冲加工形貌难控制和超快激光加工时间长的问题，为带涂层的大型薄壁件的加工提供了新的装备和方法，提高了群孔激光加工的效率，使激光加工技术在制造业领域更上一层楼。
在本发明的实施例中，第一激光器1的平均功率200W，峰值功率50000W，脉冲宽度1-200ms，脉冲频率1-2000Hz。第二激光器5功率100W，重频200K-2000K Hz。
可以理解，为了便于将待加工工件进行移动，在本发明的实施例中还包括用于搭载待加工工件的机械臂，所述机械臂由控制系统进行控制。所述机械臂，负载60kg，重复定位精度1um。
可以理解，为了保证加工的准确度，需要进行测量确定，在本发明的实施例中所述加工组件还包括用于测量距离的激光测距仪10。
可以理解，所述加工组件还包括用于观察加工状况的CCD相机9。
在本发明的实施例中，可选的，所述加工组件还包括用于排渣的吹气装置，所述吹气装置为压缩空气机。所述压缩空气机，提供同轴0.6Mpa的空气以助排渣。
在本发明的实施例中，可选的，所述加工组件还包括用于除去加工粉尘的除尘装置，所述除尘装置为除尘机。所述除尘机，清除加工过程中产生的粉尘。
在本发明的实施例中，可选的，所述长脉冲激光组件和超快激光组件均安装在龙门架上。通过龙门架的上下进行移动保证加工的准确性。
在本发明的实施例中，如图1所示，还提供一种双光源复合激光加工设备的加工方法，包括以下步骤：
S1、启动加工按钮，控制系统控制机械臂搭载工件夹具，在上料台上拾取待加工工件并夹紧，并将待加工工件移送至待加工位置；
S2、加工工件到达待加工位置时，控制系统打开激光测距仪10并下降龙门架Z轴测量焦距，确定最佳加工位置；
S3、关闭激光测距仪，控制系统控制吹气装置和除尘装置开始工作；
S4、控制系统控制长脉冲激光组件开始工作，由毫秒激光器发射激光5、依次经过第一反射镜6、平行平板7、加工头8、聚焦镜11以及气嘴12对待加工工件进行粗加工；
S5、步骤S4加工完成后控制系统控制龙门架Z轴上或下移动，使超快激光组件对准加工组件进行精加工，由皮秒激光器或飞秒激光器1发射激光，依次经过扩束器2、拨片3、第二反射镜4、加工头8、聚焦镜11以及气嘴12对粗加工的工件进行精加工，同时使用CCD相机9观察加工情况；
S6、加工完成后，控制系统控制龙门架Z轴下或上移动，进行复位，再继续重复在步骤S2至S5，直到工件上所有需加工的部位加工完成；
S7、控制系统关闭吹气装置、除尘装置、长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件。
可以理解，所述控制系统内预设有长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件的加工参数。所述激光器加工参数在程序运行前输入相关文档，通过机器臂的运动控制所要加工孔的孔间距及加工轨迹，用激光测距仪和CCD相机保证加工的精确度和加工质量。
双光源复合激光高柔性智能加工的相关参数：在试制阶段需根据不同的材料、厚度确定不同的工艺参数，以适应不同的加工需要。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种双光源复合激光加工设备，包括长脉冲激光组件、超快激光组件、加工组件以及控制系统，其特征在于，
所述长脉冲激光组件包括第一激光器、第一反射镜和平行平板；所述长脉冲激光组件用于对待加工工件进行粗加工；
所述超快激光组件包括第二激光器、扩束器、拨片和第二反射镜；所述超快激光组件对粗加工后的工件进行精加工；
所述加工组件包括加工头、聚焦镜和气嘴；所述加工组件用于实施加工过程；
所述控制系统用于控制长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件；
其中，所述第一激光器为毫秒激光器，所述第二激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。
2.如权利要求1所述的一种双光源复合激光高柔性智能加工设备，其特征在于，还包括用于搭载待加工工件的机械臂，所述机械臂由控制系统进行控制。
3.如权利要求1所述的一种双光源复合激光高柔性智能加工设备，其特征在于，所述加工组件还包括用于测量距离的激光测距仪。
4.如权利要求1所述的一种双光源复合激光高柔性智能加工设备，其特征在于，所述加工组件还包括用于观察加工状况的CCD相机。
5.如权利要求1所述的一种双光源复合激光高柔性智能加工设备，其特征在于，所述加工组件还包括用于排渣的吹气装置。
6.如权利要求1所述的一种双光源复合激光高柔性智能加工设备，其特征在于，所述加工组件还包括用于除去加工粉尘的除尘装置。
7.如权利要求1所述的一种双光源复合激光高柔性智能加工设备，其特征在于，所述长脉冲激光组件和超快激光组件均安装在龙门架上。
8.一种双光源复合激光加工设备的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动加工按钮，控制系统控制机械臂搭载工件夹具，在上料台上拾取待加工工件并夹紧，并将待加工工件移送至待加工位置；
S2、加工工件到达待加工位置时，控制系统打开激光测距仪并下降龙门架Z轴测量焦距，确定最佳加工位置；
S3、关闭激光测距仪，控制系统控制吹气装置和除尘装置开始工作；
S4、控制系统控制长脉冲激光组件开始工作，由毫秒激光器发射激光、依次经过：第一反射镜、平行平板、加工头、聚焦镜以及气嘴对待加工工件进行粗加工；
S5、步骤S4加工完成后控制系统控制龙门架Z轴上或下移动，使超快激光组件对准加工组件再进行精加工，由飞秒激光器或皮秒激光器发射激光，依次经过：扩束器、拨片、第二反射镜、加工头、聚焦镜以及气嘴对粗加工的工件进行精加工，同时使用CCD相机观察加工情况；
S6、加工完成后，控制系统控制龙门架Z轴下或上移动，进行复位，再继续重复在步骤S2至S5，直到工件上所有需加工的部位加工完成；
S7、最后控制系统关闭吹气装置、除尘装置、长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件。
9.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于，所述控制系统内预设有长脉冲激光组件、超快激光组件以及加工组件的加工参数。
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