CN114571104A - 一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置及方法，包括激光打孔系统、轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元，所述激光打孔系统用于工件的微孔加工；所述轴向电场辅助单元对称安装在工件两侧，用于在工件附近产生轴向电场，且所述轴向电场辅助单元与所述激光打孔系统的激光喷嘴同轴；所述侧向气流辅助装置安装在工件左侧，用于产生风场气流。本发明通过外加轴向电场的辅助作用，可对等离子体中带电粒子密度和等离子体的运动形态产生影响，减弱等离子体对入射激光的屏障效应与散射作用，提高激光利用效率。通过侧吹气流的辅助作用，可吹除材料蒸气，间接的减少了等离子体的生成，同时侧向气流可加速工件表面的气流运动，避免热量累计，减小热影响区，进一步提高激光打孔的质量与效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光制造与加工技术领域，特别涉及一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置及方法。
背景技术
激光打孔技术是激光加工技术的重要组成部分，它是通过激光聚焦被加热工件，在被照射材料表面形成瞬间高温，使材料瞬时熔化或气化，同时在激光脉冲的热冲击作用下，材料的气化物和熔融物等向外喷射，形成微孔的作用过程。与传统钻孔技术相比，激光打孔技术具有无工具损耗、加工效率高、适用范围广、不受环境限制等一系列优点，在航天航空、汽车零部件、医疗器械、电子元器件等领域应用广泛。
目前，单一的激光加工微孔技术还存在诸多缺陷，如激光打孔过程中，激光与工件作用瞬间高温导致材料气化产生蒸气，而激光与材料蒸气二次作用发生电离，产生大量的等离子体，对激光能量入射产生屏障效应和散射等作用，影响激光加工的效率。同时，部分熔融材料及喷溅物也会附着在孔壁上，重新凝固形成一定厚度的重铸层，伴随着热影响区的产生，对零部件的疲劳寿命和可靠性产生不利的影响。再者，快速冷却的也造成了微孔边缘热应力梯度的存在，导致微裂纹的产生。这些缺陷的存在都大大影响了微孔的成形质量与加工效率，难以满足日趋高精度、高质量的打孔需求。因此，迫切需要设计发明一种能够有效消减或驱散光致等离子体的激光打孔装置及方法，以显著消减激光打孔缺陷，提高打孔效率。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出并设计提供了一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置及方法，通过外加轴向电场的辅助作用，可对等离子体中带电粒子密度和等离子体的运动形态产生影响，减弱等离子体对激光入射能量的屏障效应与散射作用，提高激光利用效率。通过侧吹气流的辅助作用，可吹除材料蒸气，间接的减少等离子体的生成，同时侧向气流可以加速气流运动，避免热量累计，减小热影响区，进一步提高激光打孔的加工质量与加工效率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，包括激光打孔系统、工件和实验支架台，所述工件通过夹具安装在实验支架台上指定位置，所述激光打孔系统用于在工件上进行微孔加工，其特征在于，还包括轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元；所述轴向电场辅助单元对称安装在工件两侧，用于在工件附近产生电场；所述侧向气流辅助单元安装在工件附近，用于产生侧向气流。
进一步，所述轴向电场辅助单元包括两块电极板、直流稳压电源和相应夹具；所述电极板与激光头同轴安装，用于产生轴向电场；所述直流稳压电源通过导线与两块电极板连接，且可通过调整电压大小控制电场强度。
进一步，一个所述电极板安装于激光喷嘴处，另一个所述电极板通过两个相对的支撑滑道安装于工件正下方位置。
进一步，所述两块电极板的材料为304不锈钢，板间距为8 cm，所述支撑滑道内侧为绝缘材料，通过支撑滑道可以使电极板在y轴一定范围内移动，确保加工过程中，电场始终正对加工位置。
进一步，所述侧向气流辅助单元安装于工件一侧的平台底座上，包括y向丝杠导轨、x向丝杠导轨、滑动基座、伸缩支撑轴、侧向气流装置和电路控制器，所述侧向气流装置通过伸缩支撑轴安装在滑动基座上，通过调节伸缩支撑轴可以使侧向气流装置在z轴方向上的一定范围内调整；所述滑动基座位于y向丝杠导轨、x向丝杠导轨上方，通过所述y向丝杠导轨和x向丝杠导轨，可以实现x、y轴的移动，配合调节伸缩支撑轴使用，可以确保风场气流正对工件加工位置，同时可以根据实验需要调整风场气流距离。
进一步，所述电路控制器与滑动基座和侧向气流装置（连接，用于控制基座运动位置并调节侧向气流装置气流速度。
进一步，所述工件夹具固定于实验支架台上，包括两块压片、平衡垫块和相应的螺栓螺母，所述工件置于两块压片之间，通过旋紧螺母固定，并通过平衡垫块确保受力均匀。
进一步，所述外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤。
步骤1: 利用夹具将工件固定在实验支架台上指定位置。
步骤2：将两块电极板轴向对称安装在工件两侧，确保电极板中心位置正对工件，连接直流稳压电源，记录测量板间距大小，并通过电压大小预设电场强度。同时，将侧向气流装置安装在导轨装置的滑动基座上，调整合适的风距并通过控制电路控制风速的大小。
步骤3：开启激光器，进行激光加工对焦，编写数控程序，设置激光参数，并开启轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元。
步骤4：开始激光打孔，激光头沿预设路径运动至焦点位置，激光束辐照在工件表面，电场辅助单元和侧向气流辅助单元同时对加工过程产生影响，在轴向电场和侧向气流的共同作用下完成激光打孔过程。待工件完全冷却后，取下工件，关闭激光器，完成加工。
本发明的有益效果在于。
1．本发明外加轴向电场与侧向气流辅助，通过施加轴向电场的作用，可对激光打孔过程中等离子体中的带电粒子密度和等离子体的运动形态产生影响，减弱等离子体对激光入射能量的屏障效应与散射作用，提高激光利用率和激光打孔的加工效率。
2．本发明外加轴向电场与侧向气流辅助，通过侧向气流的可对材料蒸气产生一定的吹除作用，减少等离子体产生基体，进而间接减少等离子体的产生，进一步降低等离子对激光入射能量的屏障、折射和散射作用，同时加速工件表面气流运动，避免热量累计，减小热影响区。
3. 本发明所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，通过支撑滑道，电极板可以在y轴方向移动，确保各种加工条件下，电场都能正对加工位置；通过导轨装置和伸缩支撑轴，气流装置也可以在指定位置施加，满足复杂的加工要求。
4．本发明所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，所施加的电场强度的大小可通过直流稳压电源进行调整，所述侧吹气流装置可通过导轨装置控制风距，并通过电路控制器对风速进行控制。因此，在实验过程中可根据需要添加不同强度的电场或侧吹气流来辅助加工，装夹固定使用灵活方便，可为进一步研究不同电场强度和风速对激光打孔的影响规律提供条件。
附图说明
图1为本发明所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置的结构示意图。
图2为本发明所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔原理图。
图中：1-激光头；2-激光喷嘴；3-实验支架台；4-工件；5-压片；6-平衡垫块；7-电极板I；8-电极板II；9-支撑滑道；10-直流稳压电源；11-y向丝杠导轨；12-x向丝杠导轨；13-滑动基座；14-伸缩支撑轴；15-侧向气流装置；16-电路控制器；17-平台底座；18-材料蒸气；19-等离子体；20-熔融物。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，包括激光打孔系统、工件4、实验支架台3、轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元。所述激光打孔系统包括激光头1、激光喷嘴2等，光纤激光器产生的激光束，通过聚焦透镜形成高能激光束照射于工件4预定位置，激光头1可实现五轴联动精密控制和定位，能够沿着X、Y、Z方向移动。根据实际需要，通过数控编程，可改变激光头1的加工路径，可实现不同位置的钻孔加工。
所述工件4通过夹具安装在实验支架台3上指定位置，所述工件夹具固定于实验支架台3上，包括两块压片5、平衡垫块6和相应的螺栓螺母，所述工件4置于两块压片5之间，通过旋紧螺母固定，并通过平衡垫片6确保受力均匀。
所述轴向电场辅助单元对称安装在工件4两侧，包括两块电极板、直流稳压电源10和相应夹具，一个所述电极板7安装于激光喷嘴2处，另一个所述电极板8通过两个相对的支撑滑道9安装于工件4正下方位置；所述两块电极板的材料为304不锈钢，板间距为8 cm，所述支撑滑道9内侧为绝缘材料，通过支撑滑道9可以使电极板在y轴一定范围内移动，确保加工过程中，电场始终正对加工位置；所述直流稳压电源10通过导线与两块电极板连接，且可通过调整电压大小控制电场强度。
所述侧向气流辅助单元安装于工件4一侧的平台底座上17，包括y向丝杠导轨11、x向丝杠导轨12、滑动基座13、伸缩支撑轴14、侧向气流装置15和电路控制器16；所述侧向气流装置15通过伸缩支撑轴14安装在滑动基座13上，通过调节伸缩支撑轴14可以使侧向气流装置15在z轴方向上的一定范围内调整；所述滑动基座13位于y向丝杠导轨11、x向丝杠导轨12上方，通过所述y向丝杠导轨11和x向丝杠导轨12，可以实现x、y轴的移动，配合调节伸缩支撑轴14使用，可以确保风场气流正对工件加工位置，同时可以根据实验需要调整风场气流距离；所述电路控制器16与滑动基座14和侧向气流装置15连接，用于控制基座运动位置并调节侧向气流装置气流速度。
如图2所示，为外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的原理图，在激光打孔过程中，激光束聚焦于工件表面，光能转化为热能，材料表面温度急剧增加达到材料熔点，产生瞬间熔化和气化，形成材料蒸气18，而材料蒸气18继续与激光能量发生作用电离，产生等离子体19，材料蒸气18和等离子体19的混合羽流弥散于激光喷嘴与被加工材料表面之间，伴随着熔融物20的飞溅。通过施加轴向电场，激光传输通道上带电粒子发生运动，同空间内带电粒子密度降低，对激光束的折射与散射作用减弱，同时侧向气流吹除了部分材料蒸气18，间接减少了等离子体19的产生，进一步削弱了等离子体的屏障效应，提高了激光的利用率。
本发明的工作过程：
将工件、轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元装夹到实验支架台上的预定位置，打开激光器对焦并设置激光加工参数。开启轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元，同时光纤激光器产生的激光束聚焦照射于工件上相应加工位置并导致温度急剧升高，在激光焦点附近被照射材料上形成瞬间的高温, 使材料瞬时熔化或气化，持续的激光能量与材料蒸气二次作用产生大量的等离子体, 同时由于激光脉冲的热冲击作用, 气化材料夹带着熔化物从熔体底部以极高的压力向外喷射, 伴随着爆炸和冲击, 于是在被加工工件上形成微孔。
同时，在激光打孔过程中，通过外加轴向电场辅助单元，在工件加工位置附近形成电场，通过轴向电场的辅助作用，可以对激光传输通道上等离子体中的带电粒子密度和等离子体的运动形态产生影响，减弱等离子的屏障效应与散射作用，提高激光的利用率。此外，安装在工件一侧的侧向气流辅助装置会产生侧向气流，通过侧吹气流的辅助作用，可吹除材料蒸气，间接的减少等离子体的生成，同时侧向气流可以加速气流运动，避免热量累计，减小热影响区，进一步提高激光打孔的加工质量与加工效率。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，包括激光打孔系统、工件（4）和实验支架台（3），所述工件（4）通过夹具安装在实验支架台（3）上指定位置，所述激光打孔系统用于在工件（4）上进行微孔加工，其特征在于，还包括轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元；所述轴向电场辅助单元对称安装在工件（4）两侧，用于在工件（4）附近产生电场；所述侧向气流辅助单元安装在工件（4）附近，用于产生侧向气流。
2.根据权利要求1所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，其特征在于，所述轴向电场辅助单元包括两块电极板、直流稳压电源（10）和相应夹具；所述电极板与激光头（1）同轴安装，用于产生轴向电场；所述直流稳压电源（10）通过导线与两块电极板连接，且可通过调整电压大小控制电场强度。
3.根据权利要求2所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，其特征在于，一个所述电极板（7）安装于激光喷嘴（2）处，另一个所述电极板（8）通过两个相对的支撑滑道（9）安装于工件（4）正下方位置。
4.根据权利要求3所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，其特征在于，所述两块电极板的材料为304不锈钢，板间距为8 cm，所述支撑滑道（9）内侧为绝缘材料，通过支撑滑道（9）可以使电极板在y轴一定范围内移动，确保加工过程中，电场始终正对加工位置。
5.根据权利要求1所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，其特征在于，所述侧向气流辅助单元安装于工件（4）一侧的平台底座上（17），包括y向丝杠导轨（11）、x向丝杠导轨（12）、滑动基座（13）、伸缩支撑轴（14）、侧向气流装置（15）和电路控制器（16），所述侧向气流装置（15）通过伸缩支撑轴（14）安装在滑动基座（13）上，通过调节伸缩支撑轴（14）可使侧向气流装置（15）在z轴方向上的一定范围内调整；所述滑动基座（13）位于y向丝杠导轨（11）、x向丝杠导轨（12）上方，通过所述y向丝杠导轨（11）和x向丝杠导轨（12），可以实现x、y轴的移动，配合调节伸缩支撑轴（14）使用，可确保风场气流正对工件加工位置，同时可根据实验需要调整风场气流距离。
6.根据权利要求1所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，其特征在于，所述电路控制器（16）与滑动基座（13）和侧向气流装置（15）连接，用于控制基座运动位置并调节侧向气流装置气流速度。
7.根据权利要求1所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的装置，其特征在于，所述工件夹具固定于实验支架台（3）上，包括两块压片（5）、平衡垫块（6）和相应的螺栓螺母，所述工件（4）置于两块压片（5）之间，通过旋紧螺母固定，并通过平衡垫块（6）确保受力均匀。
8.一种利用权利要求1所述的外加轴向电场与侧向气流协同辅助激光打孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤 1： 利用夹具将工件固定在实验支架台上指定位置；
步骤2：将两块电极板轴向对称安装在工件两侧，确保电极板中心位置正对工件，连接直流稳压电源，记录测量板间距大小，并通过电压大小预设电场强度，同时，将侧向气流装置安装在导轨装置的滑动基座上，调整合适的风距并通过控制电路控制风速的大小；
步骤3：开启激光器，进行激光加工对焦，编写数控程序，设置激光参数，并开启轴向电场辅助单元和侧向气流辅助单元；
步骤4：开始激光打孔，激光头沿预设路径运动至焦点位置，激光束辐照在工件表面，电场辅助单元和侧向气流辅助单元同时对加工过程产生影响，在轴向电场和侧向气流的共同作用下完成激光打孔过程，待工件完全冷却后，取下工件，关闭激光器，完成加工。
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