CN112222549B - 一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法，属于特种加工中的激光加工领域，包括激光加工系统、电化学加工系统以及控制系统；为了解决激光钻孔中锥度大和效率低的问题，本发明装置利用空气端磁铁与材料产生的电场加速熔融金属流动，从而提高打孔效率，同时，利用磁场对孔自上而下约束等离子体，从而减小孔径。电化学反应进一步扩大孔径，减小锥度；相较于普通钻孔方法，本方法提出的倾斜式磁性阴极板的激光电化学复合钻孔能够对孔的锥度逐步反向纠正，进一步改善孔的锥度并提高钻孔效率。本方法充分利用了磁场对等离子体的约束，与现有方法比较，本发明装置简单，操作方便，效率较高，可显著改善孔径锥度和钻孔效率。

Description

一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法

技术领域

本发明属于特种加工中的激光加工领域，涉及到一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法，适用于金属材料的通孔加工。

背景技术

激光打孔具有打孔速度快、效率高，可获得较大的深径比，非接触式加工、无刀具磨损等特点，使得激光打孔的应用领域逐渐变广。但与此同时，激光加工也不可避免会带来一些缺陷，如重铸层、微裂纹、锥形孔等。

在使用激光打孔技术加工上述部件的通孔时，锥度和深径比是衡量孔的重要指标，锥度越大说明所加工的孔的质量越差，深径比越大越难加工。但是，采用传统的激光加工方法，由于激光的聚焦特性，使其所加工的深孔不可避免地存在较大的锥度。

国内外的研究人员对激光打深孔的方法进行了一定的研究，中国专利“一种电场磁场耦合辅助激光打孔装置”，专利公开号CN203738235U提出：电场磁场耦合辅助激光打孔的方法，通过旋转电场、磁场对等离子体的作用，使其在孔内与电场磁场一起转动，增强了其与孔壁的热耦合效应，使熔融金属的量增多，增加了单个脉冲激光的工件去除率，加快了打孔速度。通过旋转磁场对孔内熔融金属的搅拌，使其均匀附着在孔壁上，修复孔壁的微裂纹，减小了打孔过程的随机性，提高了打孔重复性精度和孔的圆度精度。该装置对于打孔过程中锥度的控制不显著，同时无法减小加工过程产生的热影响区。

中国专利“一种基于直流电场和轴向磁场的激光制孔装置”，专利公开号CN109014620A提出：直流电场和轴向磁场耦合的激光制孔装置，用外加电一磁耦合能场影响激光制孔过程中等离子体的运动、形态、密度及分布，从而改善制孔质量、提高制孔效率。该装置在加工过程中由于工件旋转，故打孔位置较为局限，同时打孔效率不够显著。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法，利用磁场对激光加工过程中等离子体的约束，减小孔的锥度。利用倾斜式磁性阴极板接线端与工件形成的电场，使得等离子体中的电子向下作加速运动，从而加速熔融金属的流动，提高打孔效率。本发明还提供了一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法，利用该装置可以实现上述方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，包括以下步骤：

待加工工件通过夹具设置在水槽内，水槽内充有电解液；

待加工工件两侧设置有磁性阴极板，且磁性阴极板与脉冲电源负极连接，待加工工件与脉冲电源正极连接；

待加工工件与磁性阴极板之间形成电场，且待加工工件两侧的磁性阴极板可形成强度自上而下逐渐减弱的磁场；

激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦后辐照在待加工工件上进行打孔。

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤一)将待加工工件置于专有夹具上固定并夹紧，磁性阴极板置于待加工工件两侧；操纵计算机移动工作台，使得激光束能够辐照在待加工工件上；连通脉冲电源电路，向水槽内倒入电解液；

步骤二)激光加工时，磁性阴极板之间的磁场强度自上而下逐渐减弱，对激光加工的工件产生的等离子体的约束作用不断减弱；等离子体沿磁场方向扩散，使得等离子体对孔壁的作用减弱，实现孔径减小；同时，由于激光加工产生的等离子体中的电子比正离子质量大，因而在接线端磁性阴极板与工件产生电场的作用下，使得电子向下作加速运动，从而加速熔融金属的流动，可提高打孔效率；倾斜设置的磁性阴极板使得电解液中带电离子在洛伦兹力的作用下，发生磁流体力学效应，从而加速电化学反应的进行，增大出口孔径；由于激光具有热-力作用，工件下方钝化膜破裂时，电解液由加工后孔的出口流入，孔出口处溶液在短时间内迅速升温，会加快电化学反应的进行，孔出口处受到进一步刻蚀；此外，磁性阴极板产生的磁场可以控制等离子体的扩散，有效抑制波纹结构的形成，从而提高孔壁质量。

进一步的，步骤一)中被加工的工件为金属材料，所述电解液为质量分数20％的NaNO₃溶液，所述磁性阴极板为导电磁铁。

进一步的，所述工件材料为铝合金，磁性阴极板材料为钕铁硼。

进一步的，水槽内电解液没过工件下表面但不超过其上表面。

进一步的，磁性阴极板相对倾斜设置，且磁性阴极板与水平面夹角角度为0～90°，由专有夹具两侧抓手固定并夹紧。

进一步的，磁性阴极板与水平面夹角角度为70°。

进一步的，两根所述磁性阴极板均包括N极和S极。

一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法的装置，包括激光加工系统、电化学加工系统和控制系统：

所述激光加工系统包括激光源、机械光闸、扩束镜、反射镜、振镜和聚焦透镜；所述激光源发出的激光束经聚焦透镜聚焦后，辐照在工件上；所述夹具固定在水槽底部；所述水槽水平放置于工作台上；

所述电化学加工系统包括脉冲直流电源、电流表、工件、磁性阴极板和电解液；所述磁性阴极板与脉冲直流电源负极相连；所述工件与脉冲直流电源正极相连；所述电流表串联于电化学回路中；

所述控制系统包括计算机、控制柜和工作台；通过计算机控制控制柜从而控制工作台的运动。

进一步的，所述脉冲激光源的波长为1064nm，功率密度为300～700W/cm²；所述脉冲直流电源电压0～50V，频率1kHz～2MHz，占空比0～100％。

本发明的技术优势和有益效果如下：

1、利用倾斜式磁性阴极板的磁场强度从上至下由强而弱，对激光加工材料产生的等离子体的约束逐渐减弱，故等离子体与孔壁作用逐步增强，因而实现从整体上对锥形孔进行锥度纠正。

2、利用倾斜式磁性阴极板接线端与工件形成的电场，使得激光加工产生的等离子体中的电子向下作加速运动，从而加速熔融金属的流动，有助于提高打孔效率。

3、在激光加工过程中，等离子体中运动粒子因激光能量的高斯分布呈现中心速度快边缘速度慢的现象。激光打穿材料溶液从孔出口处涌入，边缘速度较低的粒子不足以完全去除材料，导致边界形成波纹结构，降低孔壁光滑性。倾斜式磁性阴极板产生的磁场可以控制等离子体的扩散，有效抑制波纹结构的形成，从而提高孔壁质量。

4、倾斜式磁性阴极板使得溶液中带电离子在洛伦兹力的作用下，发生磁流体力学效应，从而加速电化学反应的进行，增大出口孔径。由于激光具有热-力作用，工件下方钝化膜破裂时，溶液由孔出口流入，孔出口处溶液在短时间内迅速升温，会加快电化学反应的进行，孔出口处受到进一步刻蚀。故出口处孔径增大，孔的锥度进一步减小。

5、为了解决激光钻孔中锥度大和效率低的问题，本发明装置利用空气端磁铁与材料产生的电场加速熔融金属流动，从而提高打孔效率，同时，利用磁场对孔自上而下约束等离子体，从而减小孔径。电化学反应进一步扩大孔径，减小锥度；相较于普通钻孔方法，本方法提出的倾斜式磁性阴极板的激光电化学复合钻孔能够对孔的锥度逐步反向纠正，进一步改善孔的锥度并提高钻孔效率。本方法充分利用了磁场对等离子体的约束，与现有方法比较，本发明装置简单，操作方便，效率较高，可显著改善孔径锥度和钻孔效率。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图；

图2为本发明图1中涉及到的电化学加工系统的局部放大示意图；

图3为本发明图1中涉及到的的加工原理示意图。

附图标记：

1-激光源；2-机械光闸；3-扩束镜；4-反射镜；5-振镜；6-聚焦透镜；7-激光束；8-工件；9-电解液；10-专有夹具；11-电流表；12-导线；13-磁性阴极板；14-脉冲直流电源；15-水槽；16-工作台；17-控制系统；18-电场；19-等离子体；20-电子；21-磁场；22-控制柜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法，包括激光加工系统，电化学加工系统和控制系统；

结合附图1所示，一种倾斜式磁性阴极板的激光电化学复合钻孔的装置，包括激光加工系统、电化学加工系统和控制系统；所述激光加工系统包括激光源1、机械光闸2、扩束镜3、反射镜4、振镜5和聚焦透镜6。所述激光源1发出的激光束7经聚焦透镜6聚焦后，辐照在工件8上；所述夹具10固定在水槽15底部；所述水槽15水平放置于工作台16上。

所述电化学加工系统包括脉冲直流电源14、电流表11、工件8、磁性阴极板13、电解液9；所述磁性阴极板13与脉冲直流电源14负极相连；所述工件8与脉冲直流电源14正极相连；所述电流表11串联于电化学回路中。

所述控制系统包括计算机17、控制柜22和工作台16。

其中，所用加工工件8为金属材料如铝合金等；所用电解液9为质量分数20％的NaNO₃溶液；所用磁性阴极板13为导电磁铁如钕铁硼等；水槽15内电解液9没过工件8下表面但不超过其上表面。所用磁性阴极板13与水平面倾斜70°，由专有夹具10两侧抓手固定并夹紧。

结合附图3所示，当激光束7经聚焦透镜6聚焦后辐照到工件8表面，激光加工时，相对倾斜设置的磁性阴极板13的磁场21强度自上而下逐渐减弱，对激光加工材料产生的等离子体19的约束作用不断减弱；等离子体19沿磁场21方向扩散，故等离子体与孔壁的作用减弱，实现孔径减小；同时，由于激光加工产生的等离子体中的电子20比正离子质量大，因而在接线端磁性阴极板13与工件8产生电场18的作用下，使得电子20向下作加速运动，从而加速熔融金属的流动，有助于提高打孔效率；倾斜式磁性阴极板13使得电解液中带电离子在洛伦兹力的作用下，发生磁流体力学效应，从而加速电化学反应的进行，增大出口孔径。此外，磁性阴极板13产生的磁场21可以控制等离子体19的扩散，有效抑制波纹结构的形成，从而提高孔壁质量。

一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，具体实施方式如下：

工件8经超声清洗后置于夹具10上固定并夹紧；

放入两块磁性阴极板13，调整好倾斜角度后，用夹具10固定并夹紧；

依次将工件8、电流表11、脉冲直流电源14、磁性阴极板13用导线12相连接，并倒入电解液；

操作计算机15移动工作平台16，调整激光参数；

打开光闸，激光器开始加工。

通孔加工完成。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

待加工工件通过夹具设置在水槽（15）内，水槽（15）内充有电解液（9）；水槽（15）内电解液（9）没过工件（8）下表面但不超过其上表面；

待加工工件两侧设置有磁性阴极板（13），且磁性阴极板（13）与脉冲直流 电源（14）负极连接，待加工工件与脉冲直流电源（14）正极连接；磁性阴极板（13）相对倾斜设置，且磁性阴极板（13）与水平面夹角角度为0~90°；

待加工工件与磁性阴极板（13）之间形成电场，且待加工工件两侧的磁性阴极板（13）可形成强度自上而下逐渐减弱的磁场；

激光器发出的激光束（7）经聚焦透镜（6）聚焦后辐照在待加工工件上进行打孔。

2.根据权利要求1所述的倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一）将待加工工件置于专有夹具（10）上固定并夹紧，磁性阴极板（13）置于待加工工件两侧；操纵计算机（17）移动工作台（16），使得激光束（7）能够辐照在待加工工件上；连通脉冲直流电源（14）电路，向水槽（15）内倒入电解液（9）；

步骤二）激光加工时，磁性阴极板（13）之间的磁场（21）强度自上而下逐渐减弱，对激光加工的工件（8）产生的等离子体（19）的约束作用不断减弱；等离子体（19）沿磁场（21）方向扩散，使得等离子体（19）对孔壁的作用减弱，实现孔径减小；同时，由于激光加工产生的等离子体（19）中的电子（20）比正离子质量大，因而在接线端磁性阴极板（13）与工件（8）产生电场（18）的作用下，使得电子（20）向下作加速运动，从而加速熔融金属的流动，可提高打孔效率；倾斜设置的磁性阴极板（13）使得电解液中带电离子在洛伦兹力的作用下，发生磁流体力学效应，从而加速电化学反应的进行，增大出口孔径；由于激光具有热-力作用，工件（8）下方钝化膜破裂时，电解液（9）由加工后孔的出口流入，孔出口处溶液在短时间内迅速升温，会加快电化学反应的进行，孔出口处受到进一步刻蚀；此外，磁性阴极板（13）产生的磁场（21）可以控制等离子体（19）的扩散，有效抑制波纹结构的形成，从而提高孔壁质量。

3.根据权利要求2所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，步骤一）中被加工的工件（8）为金属材料，所述电解液（9）为质量分数20%的NaNO₃溶液，所述磁性阴极板（13）为导电磁铁。

4.根据权利要求3所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，所述工件（8）材料为铝合金，磁性阴极板（13）材料为钕铁硼。

5.根据权利要求1或者2任一项所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，磁性阴极板（13）由专有夹具（10）两侧抓手固定并夹紧。

6.根据权利要求1所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，磁性阴极板（13）与水平面夹角角度为70°。

7.根据权利要求1或者2任一项所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法，其特征在于，两根所述磁性阴极板（13）均包括N极和S极。

8.根据权利要求1至4任一项所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法的装置，其特征在于，包括激光加工系统、电化学加工系统和控制系统：

所述激光加工系统包括激光源（1）、机械光闸（2）、扩束镜（3）、反射镜（4）、振镜（5）和聚焦透镜（6）；所述激光源（1）发出的激光束（7）经聚焦透镜（6）聚焦后，辐照在工件（8）上；所述夹具（10）固定在水槽（15）底部；所述水槽（15）水平放置于工作台（16）上；

所述电化学加工系统包括脉冲直流电源（14）、电流表（11）、工件（8）、磁性阴极板（13）和电解液（9）；所述磁性阴极板（13）与脉冲直流电源（14）负极相连；所述工件（8）与脉冲直流电源（14）正极相连；所述电流表（11）串联于电化学回路中；

所述控制系统包括计算机（17）、控制柜（22）和工作台（16）；通过计算机（17）控制控制柜（22）从而控制工作台（16）的运动。

9.根据权利要求8所述的一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的方法的装置，其特征在于，所述激光源（1）的波长为1064nm，功率密度为300~700W/cm²；所述脉冲直流电源（14）电压0~50V，频率1kHz~2MHz，占空比0~100%。

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