CN112824004B - 一种复合型水助激光加工系统及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型水助激光加工系统及其加工方法，属于精密加工技术领域，能够解决现有水助激光加工技术加工效率较低或加工深度的控制能力不足的问题。所述加工系统包括：激光发射模块、供水模块、扫描激光模块、水导激光模块、运动模块和控制模块；激光发射模块用于提供激光束；供水模块用于提供水源；控制模块用于控制运动模块运动，以带动工件移动至第一工位或第二工位；当工件位于第一工位时，控制模块控制扫描激光模块在工件上加工出目标结构的异型段；当工件位于第二工位时，水导激光模块在工件上加工出目标结构的规则段。本发明用于制作复杂异型孔。

Description

一种复合型水助激光加工系统及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种复合型水助激光加工系统及其加工方法，属于精密、微细激光加工技术领域。

背景技术

为实现先进动力系统的性能提升，其热端工作温度需要不断提高。发动机热端部件需要使用适当的耐高温材料，还需要对这些热端部件进行高效冷却，以确保其高温环境中的长期可靠性和稳定性。高效冷却的主要技术是气膜冷却，需要在发动机的涡轮叶片等热端部件表面上加工出数量众多的气膜冷却孔，将冷却介质引导至表面形成冷却薄膜。气膜冷却孔一般倾斜设置于热端部件表面，目标是通过气膜贴敷和对流隔热，实现最大的降温幅度和降温面积。直圆孔的气膜冷却效率和冷却保护面积较低，非直圆气膜孔的应用是实现更优气膜冷却的关键。非直圆气膜孔被称为异型气膜孔，其典型特征是由非直圆的异型段和直圆段两部分组成。异型气膜孔需要拥有复杂而精密的三维几何形状，才能实现冷却效率和气膜贴覆性相对普通孔、简单孔的大幅度提升。

目前，复杂异型孔的制造方法主要有激光加工、电火花加工及复合加工等。其中，水与激光复合的激光工艺被称为水助激光加工，这类工艺利用层流水传输脉冲激光并控制脉冲激光加工的热效应。目前，以高速微细射流技术为代表的水导激光加工技术在加工复杂异型孔时，需通过工件的相对移动实现复杂轮廓，虽然有热影响小、深度能力满足叶片气膜孔加工深度等优势，但水导激光加工中的扫描速度受限于机械运动，加工复杂异型孔要么非常耗时，要么无法实现光滑面加工，从而使得加工效率较低。扫描振镜驱动的水助激光加工技术具有分辨率高、方便复杂成型以及可以快速实现高光洁度加工等优势，但单纯在水下的扫描式激光加工到一定深度后，水下激光加工的产出物不易排离加工区，从而导致加工深度的控制能力不足。

发明内容

本发明提供了一种复合型水助激光加工系统及其加工方法，能够解决现有水助激光加工技术加工效率较低或加工深度的控制能力不足的问题。

本发明提供了一种复合型水助激光加工系统，用于在工件上加工出目标结构，所述目标结构包括异型段和规则段；所述加工系统包括：激光发射模块、供水模块、扫描激光模块、水导激光模块、运动模块和控制模块；所述工件设置在所述运动模块上；所述激光发射模块用于向所述扫描激光模块和所述水导激光模块提供激光束；所述供水模块用于向所述扫描激光模块和所述水导激光模块提供水源；所述控制模块用于控制所述运动模块运动，以带动所述工件移动至第一工位或第二工位；当所述工件位于所述第一工位时，所述控制模块控制所述扫描激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的异型段；当所述工件位于所述第二工位时，所述水导激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的规则段。

可选的，所述扫描激光模块包括第一反射件、扫描振镜、场镜、压力腔体；所述第一反射件用于将所述激光发射模块发射的激光束反射给所述扫描振镜；所述激光束经过所述扫描振镜和所述场镜后射入所述压力腔体；所述供水模块与所述压力腔体连通，所述水源通过所述压力腔体后形成水柱，所述水柱包裹从所述压力腔体出射的激光束；所述控制模块用于控制所述扫描振镜的运动角度，以使所述水柱内的激光束在所述工件上加工出所述目标结构的异型段。

可选的，所述水导激光模块包括第二反射件、聚焦件和耦合单元；所述第二反射件用于将所述激光发射模块发射的激光束反射给所述聚焦件；所述激光束经过所述聚焦件聚焦后射入所述耦合单元；所述供水模块与所述耦合单元连通，所述水源与所述激光束在所述耦合单元内耦合形成水导激光射流；所述水导激光射流可在所述工件上加工出所述目标结构的规则段。

可选的，所述扫描激光模块还包括移动单元，所述移动单元与所述第一反射件连接，用于带动所述第一反射件移动，以使所述激光发射模块发射的激光束可照射在所述第二反射件上。

可选的，所述扫描激光模块和所述水导激光模块为一体结构。

可选的，所述激光发射模块包括激光器和透镜组件；所述激光器用于发射激光束；所述透镜组件用于对所述激光束进行整形处理。

可选的，所述供水系统包括储水罐和调压单元；所述调压单元与所述耦合单元、所述调压单元与所述压力腔体、所述储水罐与所述调压单元之间均通过管道连通；所述调压单元用于调节提供给所述耦合单元和所述压力腔体的水源的流速。

可选的，所述调压单元与所述耦合单元的连接管道上设置有第一开关阀；所述调压单元与所述压力腔体的连接管道上设置有第二开关阀；所述调压单元与所述储水罐的连接管道上设置有第三开关阀；所述第一开关阀、所述第二开关阀和所述第三开关阀分别用于控制其所在管道的流通或关闭。

可选的，所述加工系统还包括旋转单元，所述旋转单元用于对一体结构的所述扫描激光模块和所述水导激光模块进行旋转控制。

可选的，所述运动模块包括移动平台和驱动单元；所述工件设置在所述移动平台上；所述驱动单元用于驱动所述移动平台移动，以使所述工件可移动至所述第一工位或所述第二工位。

本发明另一实施例提供一种应用于上述任一种所述的复合型水助激光加工系统的加工方法，所述方法包括：控制所述工件移动至所述第一工位；利用所述扫描激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的异型段；控制所述工件从所述第一工位移动至所述第二工位；利用所述水导激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的规则段。

本发明能产生的有益效果包括：

1)本发明提供的复合型水助激光加工系统，通过采用扫描激光模块实现复杂目标结构异型段部分的高效、高精度、高光滑度加工，采用高流速的水导激光模块实现复杂目标结构的规则段部分的大深度、高效率、低损伤加工，有效解决了单独采用水导激光加工技术时异型段加工不力或单独采用扫描式水助激光加工技术时深度能力不足等问题。

2)本发明提供的复合型水助激光加工系统，通过将扫描激光模块和水导激光模块设置为一体结构，扫描式水助激光加工和水导激光加工在同一设备上进行，可共用激光发射模块、供水模块、运动模块和控制模块，这样使得整个加工系统结构更加紧凑，目标结构的异型段和规则段的切换加工更加的便捷，从而使得复杂目标结构的加工效率更高。因此，本发明提出的复合型水助激光加工系统可有效解决复杂目标结构的低效率、高损伤的加工问题，对航空发动机、燃气轮机涡轮叶片、燃烧室等热端部件的气膜孔加工有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的扫描激光模块结构示意图；

图2为图1中A区域的放大图；

图3为本发明实施例提供的水导激光模块结构示意图；

图4为图3中B区域的放大图；

图5为本发明实施例提供的复合型水助激光加工系统加工目标结构的异型段的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的复合型水助激光加工系统加工目标结构的规则段的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一体化水助激光加工头旋转后结构示意图；

图8为本发明实施例提供的复合型水助激光加工方法流程图。

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复合型水助激光加工系统，如图1至图6所示，用于在工件7上加工出目标结构，目标结构包括异型段33和规则段34；所述加工系统包括：激光发射模块、供水模块、扫描激光模块、水导激光模块、运动模块和控制模块32；工件7设置在运动模块上；激光发射模块用于向扫描激光模块和水导激光模块提供激光束1；供水模块用于向扫描激光模块和水导激光模块提供水源；控制模块32用于控制运动模块运动，以带动工件7移动至第一工位或第二工位；当工件7位于第一工位时，控制模块32控制扫描激光模块在工件7上加工出目标结构的异型段33；当工件7位于第二工位时，水导激光模块在工件7上加工出目标结构的规则段34。

其中，供水模块提供的水源可以为去离子水或高纯水等。

参考图5和图6所示，激光发射模块可以包括激光器14和透镜组件17；激光器14用于发射激光束1；透镜组件17用于对激光束1进行整形处理。激光束1的波长范围一般为400-1200nm，所选波长可以使激光在水中传递，衰减后满足工件7加工的能量需求，激光器14优选波长为500-532nm的纳秒脉冲激光器。激光器类型包括但不限于固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。在实际应用中，还可以在激光器14和透镜组件17之间的光路上设置激光能量计15和激光吸能计16，通过设置激光能量计15可以实时监视激光能量；通过设置激光吸能计16，当加工系统出现故障时，可以通过激光吸能计16隔断和吸收激光，使得激光束1不会损坏加工系统的其余部件。

在实际应用中，运动模块可以包括移动平台9和驱动单元32；工件7通过夹具8设置在移动平台9上；驱动单元32用于驱动移动平台9移动，以使工件7可移动至第一工位或第二工位。本发明实施例对于驱动单元32的具体结构不做限定。在实际应用中，还可以在移动平台9的下方设置水槽29，水槽29用于收集加工过程中产生的废水。

本发明实施例提供的复合型水助激光加工系统可以用于加工复杂目标结构，示例的，待加工的工件7可以为涡轮叶片、燃烧室等航空发动机热端部件，部件带热障涂层或无热障涂层均可，本发明实施例对此不做限定。当工件7为涡轮叶片，目标结构为非直圆气膜冷却孔时，可以利用扫描激光模块加工非直圆气膜冷却孔不规则的异型段，然后利用水导激光模块加工非直圆气膜冷却孔规则的直圆段。本发明通过将扫描式和水导式水助激光加工能力合为一体，与定位和控制系统结合，实现复杂目标结构的高速、精确、低损伤加工。

需要说明的是，在工件7上加工目标结构时，可以先加工目标结构的异型段33，再加工目标结构的规则段34；也可以先加工出目标结构的规则段34，再在目标结构的规则段34的上端加工出异型段33，本发明实施例对此不做限定。

本发明提供的复合型水助激光加工系统，通过采用扫描激光模块实现复杂目标结构异型段部分的高效、高精度、高光滑度加工，采用高流速的水导激光模块实现复杂目标结构的规则段部分的大深度、高效率、低损伤加工，有效解决了单独采用水导激光加工技术时异型段加工不力或单独采用扫描式水助激光加工技术时深度能力不足等问题。

进一步的，参考图1和图2所示，图2为图1中A区域的放大图；所述扫描激光模块包括第一反射件2、扫描振镜3、场镜4、压力腔体5；第一反射件2用于将激光发射模块发射的激光束1反射给扫描振镜3；激光束1经过扫描振镜3和场镜4后射入压力腔体5；供水模块与压力腔体5连通，水源通过压力腔体5后形成水柱6，水柱6包裹从压力腔体5出射的激光束1；控制模块32用于控制扫描振镜3的运动角度，以使水柱6内的激光束1在工件7上加工出目标结构的异型段33。其中，第一反射件2一般为反光镜。

如图1所示，激光发射模块发射的激光束1在第一反射件2的反射后，通过高速扫描振镜3和场镜4，然后耦合进可以产生一定层流水速度的压力腔体5中，激光束1穿过层流水柱，并在控制模块32的控制下，使扫描振镜3的镜片运动，按照目标结构的三维模型的异型段33的加工信息，使激光束1在水柱6内对工件7进行扫描，结合智能定位和机械运动补偿，层层递进，加工出复杂目标结构的异型段33。直接聚焦的激光束1焦点光斑直径可以根据应用需要进行灵活调节，示例的，通过调整扩束镜和聚焦系统等相关参数，调节激光束1焦点光斑直径为20～50μm，需要时可以实现10微米以下的分辨率。在较小的加工深度时，不大的水流就可以及时冲刷走加工区域产生的微气泡、升华物等加工产物，并及时带走激光加工产生的热量，从而实现复杂目标结构异型段33的高效率、低损伤加工。

其中，扫描式水助激光加工中水柱6的直径一般大于1mm，优选的，水柱6的直径大于或等于3mm，这样便于包裹激光束1，使得激光束1有较大的可移动范围。

进一步的，参考图3和图4所示，图4为图3中B区域的放大图；所述水导激光模块包括第二反射件10、聚焦件11和耦合单元12；第二反射件10用于将激光发射模块发射的激光束1反射给聚焦件11；激光束1经过聚焦件11聚焦后射入耦合单元12；供水模块与耦合单元12连通，水源与激光束1在耦合单元12内耦合形成水导激光射流13；水导激光射流13可在工件7上加工出目标结构的规则段34。其中，第二反射件10可以为反射镜；聚焦件11可以为聚焦透镜。

如图3所示，耦合单元12产生细长的水导激光射流13，直径一般在0.02-0.3mm之间，本发明实施例中水导激光射流13的直径小于目标结构的规则段34的直径，较佳的，水导激光射流13的直径小于或等于目标结构的规则段34直径的1/2。示例的，航空发动机、燃气轮机气膜孔的直圆部分直径一般在0.25-1.0mm之间，水导激光射流13可以小于或等于0.1mm。本发明实施例中压力腔体5中要施加充分的高压，使水流速度保持在20米/秒以上，更优地，在50米/秒以上，以充分实现大深度狭小空间里的水流动为目标。通过与水射流耦合，激光束1在水射流/空气界面内发生全反射，将激光传导至工件7的加工区域。由于水导激光射流13的直径小于目标结构的规则段34的直径，在大深度仍然可以实现激光能量的通达和加工物的排离，因此，控制工件7的相对运动轨迹，可以实现复杂目标结构的规则段34的加工，包括环切式加工。利用高流速水导激光加工实现复杂目标结构的规则段34的大深度、高速低损伤加工，水导激光加工具有加工轮廓与激光束1焦点位置无关、加工效率高、加工锥度小、无再铸层及热影响层小等特点。

参考图5和图6所示，供水系统可以包括储水罐25和调压单元；调压单元与耦合单元12、调压单元与压力腔体5、储水罐25与调压单元之间均通过管道连通；调压单元用于调节提供给耦合单元12和压力腔体5的水源的流速。在实际应用中，调压单元可以包括高压瓶27和压力容器26。调压单元与耦合单元12的连接管道上设置有第一开关阀23；调压单元与压力腔体5的连接管道上设置有第二开关阀22；调压单元与储水罐25的连接管道上设置有第三开关阀24；第一开关阀23、第二开关阀22和第三开关阀24分别用于控制其所在管道的流通或关闭。在实际应用中，第一开关阀23、第二开关阀22和第三开关阀24可以为电磁阀。

进一步的，所述扫描激光模块还包括移动单元18，移动单元18与第一反射件2连接，用于带动第一反射件2移动，以使激光发射模块发射的激光束1可照射在第二反射件10上。移动单元18可以为伺服运动单元。

在实际应用中，所述扫描激光模块和所述水导激光模块为一体结构，形成一体化水助激光加工头20。

激光束1通过反射镜组、透镜组、光管或光纤等输入一体化水助激光加工头20中。去离子水或高纯水由压力容器26增压后进入一体化水助激光加工头20，并通过控制电磁阀组(Q₁,Q₂,Q₃)的开关实现扫描激光模块和水导激光模块的水路切换。本发明通过伺服运动单元M控制反射镜R₁的位置来控制激光束1进入扫描式水助激光或水导激光加工头，结合对水路的切换控制而实现不同加工方式的控制切换。

具体的，首先利用扫描激光模块的高速扫描激光加工复杂目标结构的异型段33，然后通过控制反射镜R₁的位置，打开电磁阀Q₁，并关闭电磁阀Q₂，将激光束1通过反射镜R₂传导至水导激光模块中，并同时将工件7从第一工位移动至第二工位，利用水导激光加工实现复杂目标结构的规则段34的高效加工。在实际应用中，可以在一体化水助激光加工头20上安装CCD视觉系统19和激光测距装置21，用以实现工件7的位置调制和激光自对焦等功能。

进一步的，如图7所示，所述加工系统还包括旋转单元，旋转单元用于对一体结构的扫描激光模块和水导激光模块进行旋转控制。本发明实施例将一体化水助激光加工头20可安装于旋转单元上，实现该一体化水助激光加工头20的旋转和倾斜控制，其中，旋转单元可以为手动或电动控制，具体的旋转角度θ可以视实际需求而定。一体化水助激光加工头20本身旋转，可以方便地实现大尺度工件的大倾角复杂目标结构高效精密加工，而不必过度要求工件7的旋转。在实际应用中，可以利用光纤30将激光束1传输至一体化水助激光加工头20中。

本发明另一实施例提供一种应用上述任一种所述的复合型水助激光加工系统的加工方法，如图8所示，所述方法包括：

步骤801、控制工件移动至第一工位。

步骤802、利用扫描激光模块在工件上加工出目标结构的异型段。

步骤803、控制工件从第一工位移动至第二工位。

步骤804、利用水导激光模块在工件上加工出目标结构的规则段。

示例的，在加工涡轮叶片等部件上的复杂异型孔时，具体加工过程如下所示：首先将待加工的工件三维模型输入加工系统，将工件移动和定位至待加工工位(即第一工位)，分析待加工工件，对待加工复杂异型孔几何轮廓进行分层，得到激光束的单层扫描路径，结合工件的进给运动控制，以扫描式水助激光加工复杂异型孔的异型段。复杂异型孔异型段部分加工完成后，切换工件加工位置(即移动工件至第二工位)，控制变换激光束传输路线和水路，采用水导激光加工，结合工件与激光耦合水射流的相对运动，实现复杂异型孔直圆孔段的高速环切加工。如此，通过综合利用扫描式水助激光加工和水导激光加工，实现涡轮叶片等部件上复杂异型孔的高效、精密、低损伤加工。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，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 (8)

1.一种复合型水助激光加工系统，用于在工件上加工出目标结构，所述目标结构包括异型段和规则段；其特征在于，所述加工系统包括：激光发射模块、供水模块、扫描激光模块、水导激光模块、运动模块、旋转单元和控制模块；所述工件设置在所述运动模块上；

所述扫描激光模块和所述水导激光模块为一体结构；

所述激光发射模块用于向所述扫描激光模块和所述水导激光模块提供激光束；

所述供水模块用于向所述扫描激光模块和所述水导激光模块提供水源；

所述旋转单元用于对一体结构的所述扫描激光模块和所述水导激光模块进行旋转控制；

所述控制模块用于控制所述运动模块运动，以带动所述工件移动至第一工位或第二工位；

当所述工件位于所述第一工位时，所述控制模块控制所述扫描激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的异型段；

当所述工件位于所述第二工位时，所述水导激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的规则段。

2.根据权利要求1所述的复合型水助激光加工系统，其特征在于，所述扫描激光模块包括第一反射件、扫描振镜、场镜、压力腔体；

所述第一反射件用于将所述激光发射模块发射的激光束反射给所述扫描振镜；所述激光束经过所述扫描振镜和所述场镜后射入所述压力腔体；

所述供水模块与所述压力腔体连通，所述水源通过所述压力腔体后形成水柱，所述水柱包裹从所述压力腔体出射的激光束；

所述控制模块用于控制所述扫描振镜的运动角度，以使所述水柱内的激光束在所述工件上加工出所述目标结构的异型段。

3.根据权利要求2所述的复合型水助激光加工系统，其特征在于，所述水导激光模块包括第二反射件、聚焦件和耦合单元；

所述第二反射件用于将所述激光发射模块发射的激光束反射给所述聚焦件；所述激光束经过所述聚焦件聚焦后射入所述耦合单元；

所述供水模块与所述耦合单元连通，所述水源与所述激光束在所述耦合单元内耦合形成水导激光射流；所述水导激光射流可在所述工件上加工出所述目标结构的规则段。

4.根据权利要求3所述的复合型水助激光加工系统，其特征在于，所述扫描激光模块还包括移动单元，所述移动单元与所述第一反射件连接，用于带动所述第一反射件移动，以使所述激光发射模块发射的激光束可照射在所述第二反射件上。

5.根据权利要求1所述的复合型水助激光加工系统，其特征在于，所述激光发射模块包括激光器和透镜组件；所述激光器用于发射激光束；所述透镜组件用于对所述激光束进行整形处理。

6.根据权利要求3所述的复合型水助激光加工系统，其特征在于，所述供水模块包括储水罐和调压单元；所述调压单元与所述耦合单元、所述调压单元与所述压力腔体、所述储水罐与所述调压单元之间均通过管道连通；所述调压单元用于调节提供给所述耦合单元和所述压力腔体的水源的流速。

7.根据权利要求6所述的复合型水助激光加工系统，其特征在于，

所述调压单元与所述耦合单元的连接管道上设置有第一开关阀；

所述调压单元与所述压力腔体的连接管道上设置有第二开关阀；

所述调压单元与所述储水罐的连接管道上设置有第三开关阀；

所述第一开关阀、所述第二开关阀和所述第三开关阀分别用于控制其所在管道的流通或关闭。

8.一种应用权利要求1-7中任一项所述的复合型水助激光加工系统的加工方法，其特征在于，所述方法包括：

控制所述工件移动至所述第一工位；

利用所述扫描激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的异型段；

控制所述工件从所述第一工位移动至所述第二工位；

利用所述水导激光模块在所述工件上加工出所述目标结构的规则段。

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