CN112724679B - 一种激光吸收剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光吸收剂及其使用方法，包括组分A和组分B，所述组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，所述组分B为带有Si‑H基团的硅氧烷预聚体，混合后形成液态形式的可固化组合物，涂抹或填充于激光加工工件，用于激光加工时吸收、反射和/或散射激光能量，避免工件损伤，具有液态涂抹填充、固态激光加工、固态/气态去除的特点，成本低，工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及激光加工时的一种激光吸收剂及其使用方法。
背景技术
激光器因其高功率、高可靠性、高光束质量等优势在工业、医疗、科研、军事等领域具有广泛应用，激光设备因其优异的加工性能、广泛的适用性成为智能制造、产业升级的有利工具，在切割、打孔、焊接等领域的使用越来越广泛。同时，由于激光的能量高、方向性好，对人的眼睛、批复会造成伤害，也会对加工的仪器、工件造成损伤。因此在激光加工时，使用激光吸收剂进行针对性的吸收，对人体、工件进行防护是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光吸收剂及其使用方法，在激光加工时用于吸收、反射和/或散射激光能量，对所采用的加工激光尤其是超短脉冲激光具有极强的吸收阻隔作用，同时其具有易涂抹填充、易去除的特点，用于实现工艺简单、高效率、无损伤的激光加工。
本发明的具体技术解决方案如下：
一种激光吸收剂，包括组分A和组分B，所述的组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，所述的组分B为带有Si-H基团的硅氧烷预聚体。
所述组分A和B的质量分数比为0.6—1.5。
所述的激光吸收剂还可以包括催化剂，所述的催化剂包括铂。
所述的激光吸收剂为液态形式的可固化组合物。
所述的可固化组合物的固化温度可以为20-150℃，优选为25-150℃，更优选为30-150℃，特别优选为50-100℃。
所述的可固化组合物的固化时间可以为5分钟至4小时，优选为10分钟至3小时，更优选为10-120分钟，特别优选为10-60分钟。
所述的激光吸收剂固化后收缩率不超过5％，优选不超过3％，更优选不超过2％，特别优选不超过1％。
所述激光吸收剂用于激光加工时吸收、反射和/或散射激光能量的材料，比如用于工件激光打孔时避免本工件或其它工件损伤的材料、用于空心工件激光打孔时避免工件背壁损伤的填充材料等。在激光加工结束后通过物理剥离或真空加热的方式去除。物理剥离为将工件整体加热至30—50℃进行固态剥离。真空加热去除方式为将工件整体加热至200—500℃，保温5—10分钟，使所述的填充材料气化而去除。
本发明还提供了一种激光吸收剂的使用方法：所述激光吸收剂组分包括组分A和组分B，所述的组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，所述的组分B为带有Si-H基团的硅氧烷预聚体，将组分A和组分B混合成液态形式的可固化组合物，涂抹或填充到待加工工件或要保护的工件的部位，然后固化，激光加工后通过物理剥离或真空加热方式去除。
所述方法中组分A和B的质量分数比为0.6—1.5。
所述方法中激光吸收剂还可以包括催化剂，所述的催化剂包括铂。
本发明所述激光吸收剂和使用方法可用于激光打孔，比如航空发动机空心叶片等空心工件的激光打孔加工。使用超短脉冲激光在涡轮叶片等空腔工件上打孔时，采用本发明的激光吸收剂和使用方法，能对工件起到背壁损伤防护作用。涡轮叶片在高速旋转运行和高温燃气作用下，承受了高离心力，氧化及腐蚀等环境影响，涡轮内的冷空气通过冷却孔在叶片表面形成冷气膜，隔离高温气体，保护叶片。超短脉冲激光以其加工精度高、热影响区小等特点在涡轮叶片加工领域有着重要的应用需求。然而，激光打孔中叶片结构背壁损伤问题一直困扰着此项技术的应用。根据激光打孔的工艺特点，孔中心区域会首先实现打穿，后续需要激光继续作用制备尺寸合格的孔，这导致了打孔的某一阶段激光会穿过零件空腔作用于背壁，造成损伤。叶片使用过程中背壁的损伤会形成材料的剥离堵塞叶片孔造成局部温度升高，进而使叶片整体失效。因此激光打孔过程中的背壁防护十分重要。
目前，针对激光打孔中背壁损伤的问题，专利CN104801857A提出采用水-碳粉混合物作为填充材料，专利CN104827194A提出水-二氧化硅混合物作为填充材料，专利CN107999957A采用氧化铝-粘合剂混合物作为填充材料，专利US5222617A则在叶片中插入陶瓷铸芯以防止背壁损伤。这些专利虽然可一定程度上避免背壁损伤，但固体填充材料的引入势必造成激光加工过程中填充材料对零件的影响，同时激光加工后，固体填充材料排出困难，尤其对于复杂结构空腔狭小的涡轮叶片而言极难保证填充材料的完全去除。另外，专利CN108747060A提出通过激光能量调控的方式进行背壁损伤的防护，但此方法极大地增加了系统的复杂性，且工艺稳定性差，加工效率低。
本发明的激光吸收剂及使用方法，在激光加工时用于吸收、反射和/或散射激光能量，对所采用的加工激光尤其是超短脉冲激光具有极强的吸收阻隔作用，同时其具有易涂抹填充、易去除的特点，用于实现工艺简单、高效率、无背壁损伤的涡轮叶片打孔。
一种激光打孔时避免工件或其它工件损伤的激光吸收剂，包括组分A和组分B，所述的组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，所述的组分B为带有Si-H基团的硅氧烷预聚体。所述激光吸收剂还可包含催化剂，催化剂包括铂。使用时，将组分A和组分B混合成液态形式的可固化组合物，组分A和B的质量分数比为0.6—1.5，涂抹或填充到待加工工件或要保护的工件的部位，激光加工后通过物理剥离或真空加热方式去除。
所述的激光吸收剂及使用方法中还可以包括催化剂，所述的催化剂包括铂。
所述的激光打孔前还包括固化所述的可固化组合物的步骤。
所述工件可以是实心工件，将所述激光吸收剂涂抹到待加工工件或要保护的工件的部位。
所述工件可以是空心工件，比如空心叶片，将所述激光吸收剂以液态形式注入空心叶片的空腔作为填充材料，防护空心叶片的内腔。
所述的空心工件的腔体厚度大于0.1mm，优选为0.1-20mm，更优选为0.1-10mm，更优选为0.2-5mm，特别优选0.4-2mm。
所述激光打孔采用超短脉冲激光光源，波长范围为400～1080nm，脉宽范围为0.05ps—10ps，重复频率范围为10kHz—400kHz。
所述的超短脉冲激光在穿透空心工件的上壁后，所述的填充材料可吸收、反射和/或散射激光能量，保证达到工件背壁的激光能量密度小于工件材料损伤阈值。优选地，达到工件背壁的激光能量密度为工件材料损伤阈值的30％以下。
所述填充材料在打孔结束后通过物理剥离或真空加热的方式去除。所述的物理剥离为将工件整体加热至30——50℃进行固态剥离。所述的真空加热去除方式为将工件整体加热至200—500℃，保温5—10分钟，使所述的填充材料气化而去除。
所述的激光吸收剂及其使用方法用于空心工件激光打孔中背壁损伤的防护，也可用于工件激光打孔时避免其它工件损伤。
与在先技术相比，本发明具有以下显著特点：
1、本发明提出采用AB双组合固化硅胶作为激光吸收材料，用于激光加工中，能够有优良的防护作用，对金属基体无损伤；
2、本发明的激光吸收剂是液态形式的可固化材料，可以涂抹或填充于工件，实现液态涂抹填充、固态加工、固态/气态去除的特点，易去除无残留，对零件尺寸形状及其公差要求低，成本低，工艺简单。
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做简单地介绍，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：实施例1的激光打孔加工后的防护图。
图2：实施例1的前壁直孔入孔图。
图3：实施例1的前壁直孔出孔图。
图4：实施例1的激光吸收剂正面图。
图5：实施例1的激光吸收剂背面图。
图6：实施例1的背壁材料无损伤图。
图7：实施例2的发动机空心叶片激光打孔示意图。
图8：实施例2的激光吸收剂作为填充材料图。
图9：实施例2的叶片前壁异形孔入孔图。
图10：实施例2的叶片前壁异形孔出孔图。
图11：实施例2的叶片背壁图。
1——背壁；2——前壁；3——激光吸收剂作为填充材料；
4——待加工的异形孔；5——叶片前壁；6——叶片背壁。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：用AB双组分固化硅胶作为激光吸收剂填充到空心工件，为超快激光打孔进行背壁防护：
1)将9g组分A，15g组分B混合均匀后，作为填充材料填充到前壁1与背壁2之间的0.5mm间隙内，其中前壁1与背壁2都为GH4099高温合金板材；组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，组分B为带有Si-H基团的硅氧烷预聚体；
2)室温下固化3h直到激光吸收剂完全固化，完成填充；
3)采用超快激光打孔，工艺参数为：激光波长1030nm，脉宽10ps，重复频率范围在200kHz，激光功率10w；
4)打孔完成后，采用室温下物理剥离去除填充材料。
参照图1-6：图1为激光打孔加工完成后的防护示意图；图2与3分别为前壁直孔入孔和出孔图；图4与5分别为激光吸收剂作为填充材料经激光照射后正面、背面图，正面吸收激光能量，碳化后反射、散射激光能量，阻隔激光；防护材料背面未发生烧蚀；图6为背壁材料无损伤图，背壁材料未发生损伤，说明激光吸收材料起到了激光加工时的背壁防护作用。
实施例2：用AB双组分固化硅胶作为激光吸收剂填充到空心发动机叶片，为超快激光异形打孔进行背壁防护：
1)将15g A组分，10g B组分混合均匀后，作为填充材料填充到叶片前壁5与叶片背壁6之间的0.6mm间隙内，组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，组分B为带有Si-H基团的硅氧烷预聚体；
2)50℃下固化2h待激光吸收剂完全固化，完成填充；
3)采用超快激光打孔，从需要加工的异形孔入射，脉冲激光作用于叶片前壁，填充材料对背壁进行防护，激光工艺参数为：激光波长1030nm，脉宽500fs，重复频率范围在400kHz，激光功率6w；
4)打孔完成后，采用真空加热下气化去除填充材料，加热温度200℃，保温时间5min。
参照图7-11：图7为发动机空心叶片激光打孔示意图；图8为激光吸收剂作为填充材料图；图9与10分别为叶片前壁异形孔入孔与出孔图，完成异形打孔；如图11所示，叶片背壁未发生损伤。使用显微镜观察异形孔，没有发现颗粒堵塞现象，叶片背壁伤无损伤；观察发动机叶片间隙填充材料无残留，基体无损伤。填充材料填入、去除方式简单。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (12)
1.一种激光吸收剂的用途，其特征在于所述激光吸收剂（a）作为激光加工时吸收、反射和散射激光能量的材料，（b）作为工件激光打孔时避免其它工件损伤的材料，和（c）作为空心工件激光打孔时避免工件背壁损伤的填充材料，
其中，所述激光吸收剂为液态形式的可固化组合物，并且所述激光吸收剂由组分A和组分B组成，所述的组分A为带有乙烯基端基的硅氧烷预聚体，所述的组分B为带有Si-H基团的硅氧烷预聚体，所述组分A和B的质量分数比为0.6~1.5。
2.如权利要求1所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述激光吸收剂在激光加工结束后通过物理剥离。
3.如权利要求1所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述激光吸收剂在激光加工结束后通过真空加热的方式去除。
4.如权利要求1所述的激光吸收剂的用途，其特征在于在（b）中，所述工件为实心工件或空心工件。
5.如权利要求1-3中任一项所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述空心工件为航空发动机空心叶片。
6.如权利要求5所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述的空心工件的腔体厚度为0.1-5mm。
7.如权利要求1所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述激光为超短脉冲激光。
8.如权利要求7所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述超短脉冲激光保证达到工件背壁的激光能量密度为工件材料损伤阈值的30％以下。
9.如权利要求2所述的激光吸收剂的用途，其特征在于物理剥离为将工件整体加热至30-50℃进行固态剥离。
10.如权利要求3所述的激光吸收剂的用途，其特征在于真空加热去除方式为将工件整体加热至200-500℃，保温5-10分钟，使填充的材料气化而去除。
11.如权利要求1所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述的可固化组合物的固化温度为20-150℃。
12.如权利要求1所述的激光吸收剂的用途，其特征在于所述的可固化组合物的固化时间为5分钟至4小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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