CN113441852B - 一种激光螺旋扫描盲孔制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光螺旋扫描盲孔制造方法，解决激光加工盲孔时存在底部深度不均匀、中心区域凹陷的问题，通过该方法可实现高质量圆柱形盲孔的激光加工。在本发明方法中，激光加工头控制单元发送螺旋扫描激光加工头的旋转指令，并实时地获取上偏转光楔、下偏转光楔的旋转位置反馈值，之后激光加工头控制单元根据当前螺旋线的扫描位置，实时向激光器控制单元发送激光功率控制指令，从而根据螺旋扫描线的位置改变激光器的功率值，使得激光器的激光功率实时随螺旋线直径的变化而变化，从而使得加工的底面深度差异较小。此外，运动机构用于在加工过程中实现螺旋扫描头的逐层进给，以此实现被加工件不同深度的盲孔加工。

Description

一种激光螺旋扫描盲孔制造方法
技术领域
本发明属于激光精密制造领域，具体涉及一种激光螺旋扫描盲孔制造方法。
背景技术
由于激光加工具有无切削应力、精度高、柔性化等特点，已被广泛的用于航空航天、电子等领域，可实现零部件的精密钻孔。但是由于激光加工光束具有特殊的物理特性(聚焦后的光束沿纵深方向存在一定的焦深，即瑞利长度，在该范围内均可实现材料的去除)，因此激光钻孔技术常常被用于实现通孔加工，而对于盲孔的加工则存在底部深度差异较大、中心区域凹陷等问题。
发明内容
本发明的目的是解决激光加工盲孔时存在底部深度不均匀、中心区域凹陷的问题，提供一种激光螺旋扫描盲孔制造方法，通过该方法可实现高质量圆柱形盲孔的激光加工。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光螺旋扫描盲孔制造方法，包括以下步骤：
步骤一、激光器根据设定的初始功率发出激光束，激光束经反射镜反射后进入螺旋扫描激光加工头，所述螺旋扫描激光加工头设置在运动机构上，包括沿光路依次设置的平行平板、上偏转光楔、下偏转光楔和聚焦镜；
步骤二、激光加工头控制单元发送指令，使得螺旋扫描激光加工头中的平行平板、上偏转光楔以及下偏转光楔以相同的速度同时旋转；
步骤三、激光加工头控制单元发送指令，使得上偏转光楔、下偏转光楔分别以N1和N2的速度进行旋转，N1大于等N2，以此使得上偏转光楔、下偏转光楔产生相对夹角，直至该夹角增至设定值，从而实现激光束由内圈至外圈的螺旋扫描动作；
步骤四、激光加工头控制单元实时读取上偏转光楔、下偏转光楔的旋转位置，根据该旋转位置获取螺旋线直径，激光器控制单元根据螺旋线直径发送激光功率控制指令，使得激光器的激光功率实时随螺旋线直径的增大而增大；
步骤五、当螺旋线直径增至最大时，激光加工头控制单元发送指令，使得上偏转光楔、下偏转光楔分别以N2以及N1的速度进行旋转，以此使得上偏转光楔、下偏转光楔缩小相对夹角，直至该夹角减小至0°，从而实现激光束由外圈至内圈的螺旋扫描动作；
步骤六、激光加工头控制单元实时读取上偏转光楔、下偏转光楔的旋转位置，根据该旋转位置获取螺旋线直径，激光器控制单元根据螺旋线直径发送激光功率控制指令，使得激光器的激光功率实时随螺旋线直径的减小而减小；
步骤七、运动机构驱动螺旋扫描激光加工头向下运动，以设定的增量进行进给；
步骤八、重复步骤三至步骤七，直至符合深度要求的圆柱形盲孔加工完成。
进一步地，步骤二中，相同的速度为3000rpm；步骤三和步骤五中，N1为3005rpm，N2为2995rpm。
进一步地，步骤一中，激光器为1030nm波长的飞秒激光器，激光功率50mw-10w，脉宽≤190fs，重复频率1K-1MHz可调。
进一步地，步骤七中，设定的增量为0.01mm。
与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果：
在本发明方法中，激光加工头控制单元发送螺旋扫描激光加工头的旋转指令，并实时地获取上偏转光楔、下偏转光楔的旋转位置反馈值，之后激光加工头控制单元根据当前螺旋线的扫描位置，实时向激光器控制单元发送激光功率控制指令，从而根据螺旋扫描线的位置改变激光器的功率值，使得激光器的激光功率实时随螺旋线直径的变化而变化，从而使得加工的底面深度差异较小，实现盲孔深度的均匀分布。此外，运动机构用于在加工过程中实现螺旋扫描头的逐层进给，以此实现被加工件不同深度的盲孔加工。
附图说明
图1为本发明螺旋扫描激光加装置的结构示意图；
图2为本发明螺旋扫描加工头生成的螺旋线分布示意图；
图3为盲孔深度分布示意图；
附图标记：1-激光器，2-反射镜，3-平行平板，4-上偏转光楔，5-下偏转光楔，6-聚焦镜，7-被加工件，8-运动机构，9-激光加工头控制单元，10-激光器控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
针对目前激光加工盲孔存在的技术瓶颈，本发明提供一种激光螺旋扫描盲孔制造方法，该方法根据螺旋扫描轨迹的分布及轨迹扫描速度，实时调整激光功率，从而解决了螺旋扫描激光钻孔存在孔底深度不均匀的问题。本发明方法根据激光功率控制盲孔底面的加工精度，相比其他方式，该方法通过实时调整激光功率以改变螺旋钻孔时孔底的深度分布，因此该方法适用于激光螺旋钻孔，且调节更为简单和精确，同时，激光钻孔相比于机械钻孔更易实现小孔的加工，尤其针对数十微米甚至几微米孔径的微孔。
如图1所示，本发明螺旋扫描激光加工装置包括激光器1、反射镜2、平行平板3、上偏转光楔4、下偏转光楔5、聚焦镜6、运动机构8、激光加工头控制单元9和激光器控制单元10。其中，激光器1具体为1030nm波长的飞秒激光器，激光功率50mw-10w，脉宽≤190fs，重复频率1K-1MHz可调。平行平板3、上偏转光楔4、下偏转光楔5以及聚焦镜6共同组成了螺旋扫描激光加工头，该螺旋扫描激光加工头通过上述部件的同步旋转动作可使得光束垂直作用于被加工件7上(用于实现圆柱孔)，实现光束的螺旋扫描，且螺旋扫描线的间距由内圈到外圈逐渐减小，如图2所示。当激光以该螺旋扫描轨迹运动时，盲孔的深度分布为中间最深，之后逐渐减小，并且以螺旋线最外圈的加工深度最浅，如图3所示。因此，为了实现盲孔深度的均匀分布，需要在螺旋扫描激光加工头旋转时，实时的调整激光功率，以此解决盲孔深度不平均的问题。
在本发明方法中，激光加工头控制单元9发送螺旋扫描激光加工头的旋转指令，并实时地获取上偏转光楔4、下偏转光楔5的旋转位置反馈值，之后激光加工头控制单元9根据当前螺旋线的扫描位置，实时地向激光器控制单元10发送激光功率控制指令，从而根据螺旋扫描线的位置改变激光器1的功率值，使得激光器1的激光功率实时随螺旋线直径的变化而变化，从而使得加工的底面深度差异较小。此外，运动机构8用于在加工过程中实现螺旋扫描头的逐层进给，以此实现被加工件7不同深度的盲孔加工。
在本发明中需要在不锈钢材料上加工一个直径为
Figure BDA0003131202200000041
深度为1mm的圆柱形盲孔，具体步骤如下：
步骤一、激光器1根据设定的初始功率发出激光束，激光束经反射镜2反射后进入螺旋扫描激光加工头，螺旋扫描激光加工头设置在运动机构8上，包括沿光路依次设置的平行平板3、上偏转光楔4、下偏转光楔5和聚焦镜6；
步骤二、激光加工头控制单元9发送指令，使螺旋扫描激光加工头中的平行平板3、上偏转光楔4以及下偏转光楔5同时以3000rpm的速度旋转；
步骤三、激光加工头控制单元9发送指令，使得螺旋扫描激光加工头中的上偏转光楔4、下偏转光楔5分别以3005rpm以及2995rpm的速度进行旋转，以此使上偏转光楔4、下偏转光楔5产生相对夹角，直至该夹角增至72°，从而实现光束由内圈至外圈的螺旋扫描动作；
步骤四、激光加工头控制单元9实时读取上偏转光楔4、下偏转光楔5的旋转位置，根据该旋转位置获取螺旋线的直径，激光器控制单元10根据螺旋线直径发送激光功率控制指令，使激光功率以0.3w的增量随螺旋线直径的增大而增大；
激光加工过程中，激光功率和螺旋线的疏密程度存在关系，因为螺旋线在生成的过程中，其螺旋轨迹的疏密程度是不同的，呈中心疏外围密的趋势，激光功率需要随之发生变化；
步骤五、当螺旋线直径增至最大时，激光加工头控制单元9发送指令，使螺旋扫描激光加工头中的上偏转光楔4、下偏转光楔5分别以2995rpm以及3005rpm的速度进行旋转，以此使上偏转光楔4、下偏转光楔5缩小相对夹角，直至该夹角减小至0°，从而实现光束由外圈至内圈的螺旋扫描动作；
步骤六、激光加工头控制单元9实时读取上偏转光楔4、下偏转光楔5的旋转位置，根据该旋转位置获取螺旋线的直径，激光器控制单元10根据螺旋线直径发送激光功率控制指令，使激光功率以0.3w的增量随螺旋线直径的减小而减小；
步骤七、运动机构8驱动螺旋扫描激光加工头向下以0.01mm的增量进行进给，实现下一层的加工；
步骤八、重复步骤三至步骤七，直至符合深度要求的圆柱形盲孔加工完成。

Claims (4)

1.一种激光螺旋扫描盲孔制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、激光器根据设定的初始功率发出激光束，激光束经反射镜反射后进入螺旋扫描激光加工头，所述螺旋扫描激光加工头设置在运动机构上，包括沿光路依次设置的平行平板、上偏转光楔、下偏转光楔和聚焦镜；
步骤二、激光加工头控制单元发送指令，使得螺旋扫描激光加工头中的平行平板、上偏转光楔以及下偏转光楔以相同的速度同时旋转；
步骤三、激光加工头控制单元发送指令，使得上偏转光楔、下偏转光楔分别以N1和N2的速度进行旋转，N1大于N2，以此使得上偏转光楔、下偏转光楔产生相对夹角，直至该夹角增至设定值，从而实现激光束由内圈至外圈的螺旋扫描动作；
步骤四、激光加工头控制单元实时读取上偏转光楔、下偏转光楔的旋转位置，根据该旋转位置获取螺旋线直径，激光器控制单元根据螺旋线直径发送激光功率控制指令，使得激光器的激光功率实时随螺旋线直径的增大而增大；
步骤五、当螺旋线直径增至最大时，激光加工头控制单元发送指令，使得上偏转光楔、下偏转光楔分别以N2以及N1的速度进行旋转，以此使得上偏转光楔、下偏转光楔缩小相对夹角，直至该夹角减小至0°，从而实现激光束由外圈至内圈的螺旋扫描动作；
步骤六、激光加工头控制单元实时读取上偏转光楔、下偏转光楔的旋转位置，根据该旋转位置获取螺旋线直径，激光器控制单元根据螺旋线直径发送激光功率控制指令，使得激光器的激光功率实时随螺旋线直径的减小而减小；
步骤七、运动机构驱动螺旋扫描激光加工头向下运动，以设定的增量进行进给；
步骤八、重复步骤三至步骤七，直至符合深度要求的圆柱形盲孔加工完成。
2.根据权利要求1所述的激光螺旋扫描盲孔制造方法，其特征在于：步骤二中，相同的速度为3000rpm；步骤三和步骤五中，N1为3005rpm，N2为2995rpm。
3.根据权利要求2所述的激光螺旋扫描盲孔制造方法，其特征在于：步骤一中，激光器为1030nm波长的飞秒激光器，激光功率50mw-10w，脉宽≤190fs，重复频率1K-1MHz可调。
4.根据权利要求1或2或3所述的激光螺旋扫描盲孔制造方法，其特征在于：步骤七中，设定的增量为0.01mm。
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