CN112823992A - 一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置 - Google Patents

一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置，属于微细、精密复合加工领域，能够解决现有激光电解复合加工技术对于涂覆绝缘涂层的工件加工过程中存在工艺复杂，加工效率较低的问题。所述方法包括：将工件和管状电极分别与电源的正极和负极连接；将激光束和电解液耦合通过管状电极的中心孔传输至工件的加工区域，以打穿加工区域的绝缘涂层，使得工件和管状电极通过电解液形成导电通路；控制管状电极向加工区域进给，以得到目标结构。本发明用于涂覆绝缘涂层的工件的加工。

Description

一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置
技术领域
本发明涉及一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置，属于微细、精密复合加工领域。
背景技术
近年来，随着先进制造技术的发展，新的加工工艺被不断开发出来。激光加工技术利用激光束为主要工具，通过光与材料的光热效应或光化学效应实现工件材料的去除加工，具有能量密度高、分辨率高和加工效率高等优势。电解加工技术基于电化学阳极溶解原理去除工件材料，是一种非接触式加工方式，具有加工表面无残余应力和微裂纹、无飞边毛刺等优点。为综合利用激光加工和电解加工的优势，提出了激光电解复合加工技术。
现有的激光电解复合加工技术整合了激光加工高效率和电解加工质量好的优点，可实现微小结构的高质量高效加工，加工的工件无重熔层、无微裂纹、表面完整性好，但在涂覆绝缘涂层的工件的加工过程中，由于绝缘涂层不导电导致激光与电解两个工艺过程需要分开进行，因此对于涂覆绝缘涂层的工件的加工，现有的激光电解复合加工技术存在工艺复杂，加工效率较低的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置，能够解决现有激光电解液复合加工技术在加工涂覆绝缘涂层的工件时，加工工艺复杂，加工效率较低的问题。
本发明提供了一种激光与电解液复合加工方法，用于在具有绝缘涂层的工件上加工目标结构，所述方法包括：将工件和管状电极分别与电源的正极和负极连接；将激光束和电解液耦合通过所述管状电极的中心孔传输至所述工件的加工区域，以打穿所述加工区域的绝缘涂层，使得所述工件和所述管状电极通过所述电解液形成导电通路；控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构。
可选的，控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构具体包括：控制所述管状电极向所述加工区域进给，并检测所述导电通路中的电流；确定所述导电通路中当前时刻的电流小于上一时刻的电流时，关闭所述激光束；控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，当所述导电通路中的电流减小至第一特定值时，关闭所述电源，得到所述目标结构。
可选的，控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构具体包括：控制所述管状电极向所述加工区域进给，并检测所述管状电极内的电解液压力；确定所述管状电极内当前时刻的电解液压力小于上一时刻的电解液压力时，关闭所述激光束；控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，当所述管状电极内的电解液压力减小至第二特定值时，关闭所述电源，得到所述目标结构。
可选的，所述管状电极包括环形的导电层、设置在所述导电层外侧的绝缘涂层、以及设置在所述导电层内侧的约束层；所述约束层的光学折射率小于所述电解液的光学折射率；所述电解液通过所述约束层内侧传输至所述加工区域；所述激光束通过在约束层/电解液界面发生全反射而传输至所述加工区域。
可选的，所述导电层为金属毛细管。
可选的，所述约束层的制作材料为聚四氟乙烯。
本发明还提供了一种激光与电解液复合加工装置，用于具有绝缘涂层的工件上加工目标结构，所述装置包括：激光模块、电解模块、以及与所述激光模块和所述电解模块均连接的控制模块；所述电解模块包括电源、管状电极和电解液；所述工件和所述管状电极分别与所述电源的正极和负极连接；所述电解液和所述激光模块发出的激光束耦合通过所述管状电极的中心孔传输至所述工件的加工区域，以打穿所述加工区域的绝缘涂层，使得所述工件和所述管状电极通过所述电解液形成导电通路；所述控制模块用于控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构。
可选的，所述装置还包括设置在所述导电通路中的电流传感器，所述电流传感器用于检测所述导电通路中的电流；所述控制模块具体用于：控制所述管状电极向所述加工区域进给，并确定所述导电通路中当前时刻的电流小于上一时刻的电流时，控制所述激光模块关闭；控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，并当所述导电通路中的电流减小至第一特定值时，控制所述电源关闭。
可选的，所述装置还包括设置在所述电解液流道上的压力传感器，所述压力传感器用于检测所述管状电极内的电解液压力；所述控制模块具体用于：控制所述管状电极向所述加工区域进给，并确定所述管状电极内当前时刻的电解液压力小于上一时刻的电解液压力时，控制所述激光模块关闭；控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，并当所述管状电极内的电解液压力减小至第二特定值时，控制所述电源关闭。
可选的，所述控制模块还用于控制所述管状电极和/或所述工件的运动轨迹。
本发明能产生的有益效果包括：
1)本发明提供的激光与电解液复合加工方法，通过将工件和管状电极分别与电源的正极和负极连接，激光束和电解液耦合通过管状电极的中心孔，形成“水导激光”并传输至工件的加工区域，以打穿加工区域的绝缘涂层，使得工件和管状电极通过电解液形成导电通路之后，利用水导激光和电化学复合技术加工工件，激光加工可直接去除工件材料也可使加工区域温度升高，提高加工效率，电解液可刻蚀加工工件也可同步去除激光加工产生的热影响区、再铸层，以得到无重熔层、无微裂纹的高质量目标结构。相较于现有激光电解复合加工技术对于涂覆绝缘涂层的工件加工过程中需分开进行所导致的操作繁琐，加工效率较低等缺陷，本申请的激光与电解复合加工方法可以实现激光与电解两个工艺过程连续、分阶段进行，加工过程无需工件二次装夹、更换激光光源、工具电极、工作液等，这样使得操作过程更加简便，也大大提高了加工效率。
2)本发明提供的激光与电解复合加工方法，在控制管状电极向加工区域进给的过程中，对导电通路中的电流和管状电极内的电解液压力进行实时检测，当电流或电解液压力当前时刻的数值小于上一时刻的数值时，关闭激光束，当电流减小至第一特定值或电解液压力减小至第二特定值时，关闭电源，得到加工的目标结构。本申请通过对电流和压力的实时检测来实时判断加工状态，这样可以及时调整工件运动参数，避免加工中出现短路和加工背伤等问题，提高了加工过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的激光与电解液复合加工方法流程图；
图2为本发明实施例中提供的另一种激光与电解液复合加工方法流程图；
图3为本发明实施例中提供的激光与电解液复合加工绝缘涂层示意图；
图4为本发明实施例中提供的激光耦合射流运动轨迹示意图；
图5为本发明实施例中提供的激光与电解液复合加工工件示意图；
图6为本发明实施例中提供的激光与电解液复合加工过程中电流变化示意图；
图7为本发明实施例中提供的激光与电解液复合加工装置框图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种激光与电解复合加工方法，用于在具有绝缘涂层的工件上加工目标结构，如图1和图3所示：
步骤101、将工件8和管状电极2分别与电源6的正极和负极连接。
在实际应用中，工件8可以为高温合金；管状电极2包括环形的导电层4、设置在导电层外侧的绝缘涂层3、以及设置在导电层内侧的约束层5，具体的，导电层4可以为金属毛细管，约束层5的制作材料可以为聚四氟乙烯；电源6的正极与工件8连接，电源6的负极与管状电极2的导电层4连接。
步骤102、将激光束1和电解液10耦合通过管状电极2的中心孔传输至工件8的加工区域，以打穿加工区域的绝缘涂层7，使得工件8和管状电极2通过电解液形成导电通路。
如图3-4所示，激光束1射向约束层/电解液界面时，激光束1在该界面发生全反射，使激光束1被约束在约束层5范围内传导，激光束1由管电极2端面出口传出后继续在电解液/空气界面形成全反射，形成激光耦合射流11并作用于工件绝缘涂层7的待加工区域。激光束1通过多次全反射后激光能量近似均匀分布于激光耦合射流11直径范围内，由于激光耦合射流11直径较小，因此通过对运动平台9的控制，可以实现管状电极2和工件8之间的运动轨迹13的数字化控制，进而完成工件绝缘涂层9上预设轮廓结构12的加工。管状电极2端面和绝缘涂层9表面预设一定的加工间隙，通过激光加工以打穿加工区域的绝缘涂层7，使得工件8和管状电极2通过电解液形成导电通路；相比于传统水导激光加工技术，本申请中的管状电极2可深入狭窄区域，空气中水柱长度缩短，射流压力损失小，有利于提高水射流的冲刷效应，及时去除激光加工产生的熔渣、热量等，提高加工表面质量，减小表面热影响。
步骤103、控制管状电极2向加工区域进给，以得到目标结构。
如图5所示，当激光打穿绝缘涂层7后，管状电极2、电解液10和工件8之间形成导电通路，实现管状电极2端面加工间隙中激光与电化学能量场的同步耦合。激光加工可直接去除工件材料也可使加工区温度升高，提高电解加工速率。电解液可刻蚀加工工件8也可同步去除激光加工产生的热影响区、再铸层等，提高加工小孔表面完整性和加工精度，以得到高质量目标结构。加工过程中管状电极2内孔的高速冲液和管状电极2的旋转运动有利于加工间隙中加工产物的排出，有利于提高加工过程的稳定性。
相较于现有激光电解复合加工技术对于涂覆绝缘涂层的工件加工过程中需分开进行所导致的操作繁琐，加工效率较低等缺陷，本申请的激光与电解复合加工方法可以实现激光与电解两个工艺过程连续、分阶段进行，加工过程无需工件二次装夹、更换激光光源、工具电极、工作液等，这样使得操作过程更加简便，也大大提高了加工效率。
本发明另一实施例提供了一种激光与电解复合加工方法，如图2所示，具体包括如下步骤：
步骤201、将工件8和管状电极2分别与电源6的正极和负极连接。
步骤202、将激光束1和电解液10耦合通过管状电极2的中心孔传输至工件8的加工区域，以打穿加工区域的绝缘涂层7，使得工件8和管状电极2通过电解液形成导电通路。
步骤203、控制管状电极2向加工区域进给，并检测导电通路中的电流。
步骤204、确定导电通路中当前时刻的电流小于上一时刻的电流时，关闭激光束。
步骤205、控制管状电极2继续向加工区域进给，当导电通路中的电流减小至第一特定值时，关闭电源6，得到目标结构。
在实际应用中，控制管状电极2继续向加工区域进给的过程中可通过电流霍尔传感器和高速数据采集系统实时检测、监测加工过程中电流的变化情况，通过对电流和压力的实时检测来实时判断加工状态，这样可以及时调整工件运动参数，避免加工中出现短路和加工背伤等问题，提高了加工过程的稳定性。如图6所示，当激光1加工绝缘涂层7时，加工电流为零。当在时刻t＝t1时，绝缘涂层7被部分打通，电流开始产生，随着加工时间的增大，加工电流逐渐增大，在t＝t2时绝缘涂层7被完全打穿。管状电极2随之向工件8内部方向进给，开始进行激光与电化学复合加工工件8，随着加工深度的增大，加工电流逐渐增大，在t3时刻电流达到最大后随之减小。在t3时刻工件8被部分打穿，加工面积减小，使得电阻增大，加工电流开始减小，此时关闭激光1，避免激光1穿过工件造成加工损伤。关闭激光1后，控制管状电极2继续进给，通过电化学刻蚀加工目标结构，当加工电流减小至第一特定值时，可以判断工件8被完全打穿，此时关闭电源6。在电化学刻蚀的作用下，可避免加工结构出现尖角导致的应力集中问题，增强了加工结构的工作可靠性。
可选的，所述控制管状电极2向加工区域进给，以得到目标结构具体还包括：
步骤301、控制管状电极2向加工区域进给，并检测管状电极2内的电解液10压力。
步骤302、确定管状电极2内当前时刻的电解液10压力小于上一时刻的电解液10压力时，关闭激光束1。
步骤303、控制管状电极2继续向加工区域进给，当管状电极2内的电解液10压力减小至第二特定值时，关闭电源6，得到目标结构。
在实际应用中，压力传感器设置在电解液10的流道上，用来检测加工过程中电解液10的压力变化情况，通过对压力的实时检测来实时判断加工状态，这样可以及时调整工件运动参数，避免加工中出现短路和加工背伤等问题，提高了加工过程的稳定性。在加工过程中当工件8未被打穿时，压力保持不变，当工件8被打穿后，压力开始减小，此时关闭激光束1，避免激光束1穿过工件8造成加工背伤。当电解液10压力减小至第二特定值时，可以判断工件8被完全打穿，此时关闭电源6。在电化学刻蚀的作用下，可避免加工结构出现尖角导致的应力集中问题，增强了加工结构的工作可靠性。
本发明实施例还提供了一种激光与电解液复合加工装置，如图7所示，加工装置包括激光模块14、电解模块15、以及与激光模块14和电解模块15均连接的控制模块16，其中，电解模块15包括电源6、管状电极2和电解液10，工件8和管状电极2分别与电源6的正极和负极连接，电解液10和激光模块14发出的激光束耦合通过管状电极2的中心孔传输至工件8的加工区域，以打穿加工区域的绝缘涂层7，使得工件8和管状电极2通过电解液10形成导电通路。控制模块16用于控制管状电极2向加工区域进给，以得到目标结构。
进一步的，所述装置还包括设置在导电通路中的电流传感器，用于检测导电通路中的电流。具体的，控制模块16控制管状电极2向加工区域进给，并确定导电通路中当前时刻的电流小于上一时刻的电流时，控制激光模块14关闭，控制管状电极2继续向加工区域进给，并当导电通路中的电流减小至第一特定值时，控制电源6关闭。
可选的，所述装置还包括设置在电解液10流道上的压力传感器，用于检测管状电极2内的电解液10的压力。具体的，控制模块16控制管状电极2向加工区域进给，并确定管状电极2内当前时刻的电解液10压力小于上一时刻的电解液10压力时，控制激光模块14关闭，控制管状电极2继续向加工区域进给，并当管状电极2内的电解液10的压力减小至第二特定值时，控制电源6关闭。
可选的，控制模块16还用于控制管状电极2和/或工件8的运动轨迹。
上述装置中的各模块与在上述方法中的作用效果一致，在此不再多加赘述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种激光与电解液复合加工方法，用于在具有绝缘涂层的工件上加工目标结构，其特征在于，所述方法包括：
将工件和管状电极分别与电源的正极和负极连接；
将激光束和电解液耦合通过所述管状电极的中心孔传输至所述工件的加工区域，以打穿所述加工区域的绝缘涂层，使得所述工件和所述管状电极通过所述电解液形成导电通路；
控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构具体包括：
控制所述管状电极向所述加工区域进给，并检测所述导电通路中的电流；
确定所述导电通路中当前时刻的电流小于上一时刻的电流时，关闭所述激光束；
控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，当所述导电通路中的电流减小至第一特定值时，关闭所述电源，得到所述目标结构。
3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构具体包括：
控制所述管状电极向所述加工区域进给，并检测所述管状电极内的电解液压力；
确定所述管状电极内当前时刻的电解液压力小于上一时刻的电解液压力时，关闭所述激光束；
控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，当所述管状电极内的电解液压力减小至第二特定值时，关闭所述电源，得到所述目标结构。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，
所述管状电极包括环形的导电层、设置在所述导电层外侧的绝缘涂层、以及设置在所述导电层内侧的约束层；
所述约束层的光学折射率小于所述电解液的光学折射率；
所述电解液通过所述约束层内侧传输至所述加工区域；
所述激光束通过在约束层/电解液界面发生全反射而传输至所述加工区域。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述导电层为金属毛细管。
6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述约束层的制作材料为聚四氟乙烯。
7.一种激光与电解液复合加工装置，其特征在于，所述装置包括激光模块、电解模块、以及与所述激光模块和所述电解模块均连接的控制模块；
所述电解模块包括电源、管状电极和电解液；所述工件和所述管状电极分别与所述电源的正极和负极连接；
所述电解液和所述激光模块发出的激光束耦合通过所述管状电极的中心孔传输至所述工件的加工区域，以打穿所述加工区域的绝缘涂层，使得所述工件和所述管状电极通过所述电解液形成导电通路；
所述控制模块用于控制所述管状电极向所述加工区域进给，以得到所述目标结构。
8.根据权利要求7所述的加工装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述导电通路中的电流传感器，所述电流传感器用于检测所述导电通路中的电流；
所述控制模块具体用于：
控制所述管状电极向所述加工区域进给，并确定所述导电通路中当前时刻的电流小于上一时刻的电流时，控制所述激光模块关闭；
控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，并当所述导电通路中的电流减小至第一特定值时，控制所述电源关闭。
9.根据权利要求7所述的加工装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述电解液流道上的压力传感器，所述压力传感器用于检测所述管状电极内的电解液压力；
所述控制模块具体用于：
控制所述管状电极向所述加工区域进给，并确定所述管状电极内当前时刻的电解液压力小于上一时刻的电解液压力时，控制所述激光模块关闭；
控制所述管状电极继续向所述加工区域进给，并当所述管状电极内的电解液压力减小至第二特定值时，控制所述电源关闭。
10.根据权利要求7所述的加工装置，其特征在于，所述控制模块还用于控制所述管状电极和/或所述工件的运动轨迹。
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