CN114571105B - 一种改进金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明中公开了一种改进金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔系统，包括依次并排设置的激光放大器、第一半波片、偏振分束镜、第二半波片、透镜和电控三维精密平移台；所述偏振分束镜侧方设置有挡板，所述第二半波片和透镜之间设置有可拆卸的光学窗片，电控三维精密平移台上靠近透镜的一侧安装有工件。基于上述激光打孔系统，本发明还公开了一种改进金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔方法。本发明在金属贯穿孔的激光加工中使用倾斜光束，在不改变孔的高深宽比的前提下，有效消除孔锥角，提高孔圆度，实现高质量的高深宽比微孔加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光微纳加工技术领域，尤其涉及一种在保持金属贯穿孔的深宽比不变的条件下，改善金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔系统及方法。
背景技术
在金属材料上进行精密的微孔加工具有广泛的实用价值。其中，发动机喷油嘴、涡轮机叶片等对其上的孔质量有较高的要求，包括深宽比高、热损伤小，对圆形孔要求其具有小的锥角以及良好的孔圆度。与传统的机械打孔、电火花放电打孔和电化学打孔方法相比，激光打孔中的超短脉冲打孔利用了脉冲宽度短和脉冲强度高的特点，其加工热影响区域小，精度高，并且调控灵活，能够加工各类材料和形状复杂的零件。
在激光打孔中，多脉冲打孔(“Laser processing of materials:fundamentals,applications and developments”，139(2010):178-179.)是一种操作简单并被广泛采用的激光加工贯穿孔的方法。但是，光斑的发散以及孔内烧蚀物和等离子体对入射激光能量的吸收和阻挡导致激光烧蚀效率随孔深度增加而明显下降，一方面限制了多脉冲打孔的深度，降低了孔深宽比；另一方面形成了圆锥形的孔通道，出现了锥角问题。同时，线偏振光加工的截面形状呈椭圆形("Polarization effect on hole evolution and periodicmicrostructures in femtosecond laser drilling of thermal barrier coatedsuperalloys.”,Appl.Surf.Sci.537(2021):148001.)，这是由于孔内壁，尤其是金属材料对不同偏振的入射光的反射率不同造成的，孔内的反射光能量主要影响了深孔加工结果。
目前，一些降低锥角，改善孔圆度的方法并不能兼具高深宽比的要求。在多脉冲旋切方法(“Laser Trepanning of Stainless Steel”,Phys.Procedia 41(2013):630-635.)中，聚焦在样品表面的光斑不断扫描圆形的轨迹逐层旋切材料，可以消除孔的锥角，形成圆柱形的孔道。然而，光斑旋转扫描扩大了孔直径，从而降低了深宽比。为了消除因孔内壁反射率的偏振依赖特性而产生的椭圆孔，一种方案是使用圆偏振光，径向偏振光或角向偏振光("Micro-hole drilling by tightly focused vector beams.”,Opt.Lett.43(2018):1542-1545.)，这不仅对偏振态的调节要求高，而且损害了打孔的效率；另一种方案是使用偏振旋切方法("Polarization effects in ultrashort-pulse laser drilling.”,Appl.Phys.A 68(1999):563-567.)，即在打孔过程中不断旋转线偏振态的方向，从而消除孔壁反射率的偏振依赖特性对孔横截面形状的影响，实现圆孔加工。偏振旋切方法操作简单并且充分利用了入射光能量，提高了打孔效率，因此是一种切实可行的消除偏振对孔圆度影响的方法。然而，在高能量激光加工深孔的过程中，等离子体和纳米颗粒组成的烧蚀喷射物不仅影响进入孔内的激光的透射率，而且沉积在孔壁的喷射物也影响激光在孔壁的烧蚀速率和反射率，这些物理过程导致使用偏振旋切方法加工的高深宽比贯穿孔的后表面孔型不规则，也导致孔具有明显的锥角。综上，高深宽比、小锥角和高圆度的贯穿孔加工技术具有重要意义并亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的高深宽比的金属贯穿孔的后表面孔型不规则，具有明显锥角的问题，提供一种改善金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔系统及方法，在保证金属贯穿孔的深宽比不变的基础上，即在不扩大孔前表面直径的前提下，可以有效消除贯穿孔锥角，改善圆度，加工圆柱形的高深宽比孔通道。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种改进金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔系统，包括依次并排设置的激光放大器、第一半波片、偏振分束镜、第二半波片、透镜和电控三维精密平移台；所述偏振分束镜侧方设置有挡板，所述第二半波片和透镜之间设置有可拆卸的光学窗片，电控三维精密平移台上靠近透镜的一侧安装有工件；所述激光放大器、第一半波片、偏振分束镜、第二半波片、光学窗片、透镜和工件设置在同一直线上。
优选地，所述透镜为平凸透镜。
优选地，所述光学窗片为对入射光波段高透射率的材料。
基于上述激光打孔系统，本发明还提供一种改进金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔方法，包括以下步骤：
S1、设置激光参数并将激光经过透镜后的焦点位置固定在工件表面；
S2、第一阶段打孔：筛选设置第一阶段打孔时间，旋转第二半波片，利用激光在工件表面加工出贯穿孔；
S3、第二阶段打孔：将倾斜的光学窗片安装在第二半波片和透镜之间，筛选设置第二阶段打孔时间，分别旋转第二半波片和光学窗片，在S2的贯穿孔的倾斜内壁上继续加工，获得改进锥角和圆度的金属贯穿孔。
优选地，所述S2中先在固定的打孔时间下，调整第二半波片的旋转速度，使贯穿孔的后表面孔直径随着第二半波片的旋转速度而发生变化，得到该条件下最大孔直径对应的旋转速度；再以所述旋转速度旋转第二半波片，调整打孔时间，计算贯穿孔的深宽比和锥角，得到该条件下最高深宽比AR和最小锥角a对应的打孔时间，即为第一阶段打孔时间。
优选地，所述S3中先在固定的打孔时间下，调整光学窗片的倾斜角度，使贯穿孔后表面的锥角和圆度随着光学窗片倾斜角度而发生变化，计算得到该条件下最小锥角b和圆度为1时对应的光学窗片的倾斜角度；再以所述倾斜角度倾斜光学窗片，调整打孔时间，再次计算贯穿孔的锥角，得到该条件下最小锥角c对应的打孔时间，即为第二阶段打孔时间。
优选地，所述第二半波片的旋转速度为10°/s～15°/s；所述光学窗片的旋转速度为10°/s。
进一步优选，所述锥角为孔内壁在深度方向的倾斜角，计算公式为θ＝arctan((D前-D后)/2L)，D前为贯穿孔前表面直径；D后为贯穿孔后表面直径。
进一步优选，所述圆度为孔后表面的水平方向直径与竖直方向直径之比。
进一步优选，所述S1中的激光为线偏振的飞秒激光。
本发明在第二阶段打孔过程中，在光路系统的第二半波片和透镜之间加入了倾斜的光学窗片，本发明中的光学窗片为对入射光波段高透射率的材料，例如K9、BK7等。根据折射定律，穿过倾斜光学窗片的光束在径向上产生附加位移，相对于光轴具有横向位移的光束经过透镜聚焦后在待加工样品表面形成入射角非零的聚焦光束，即倾斜光束。倾斜光束用于加工上一阶段形成的贯穿孔的倾斜内壁，从而消除锥角，由此孔内反射光不会被内壁阻挡，能够传递到样品底部加工出圆度更高的孔，改善了孔圆度；而孔的锥角和圆度的改善程度与该倾斜光束的入射角有关，而入射角可由光学窗片的倾斜角调控，因此调控光学窗片的倾斜角即可有效提高激光加工的高深宽比孔的质量。因此，基于本发明的激光打孔系统，本发明的方法可以在兼顾高深宽比的前提下有效消除孔锥角，改善孔圆度，实现高质量的高深宽比微孔加工。
本发明所具有的有益效果：
一)本发明在金属贯穿孔的激光加工中使用倾斜光束，在不改变孔的高深宽比的前提下，有效消除孔锥角，提高孔圆度，是一种可实现高质量微孔加工的技术，尤其是适用于航空发动机涡轮叶片上的气膜孔加工；
二)本发明引入倾斜光束的方法简单，仅需在第二半波片和透镜之间可拆卸的装入光学窗片，调节光学窗片的倾斜角度即可，安装简单，无需对加工设备进行二次调整，具有非常强的实际操作性。
附图说明
图1为本发明中激光打孔系统的组成结构示意图；
图2为实施例2中的金属贯穿孔的扫描电子显微镜(SEM)图片；2-a)为第一阶段打孔形成的贯穿孔前表面图；2-b)第一阶段打孔形成的贯穿孔后表面图片；2-c)第二阶段打孔形成的贯穿孔前表面图片；2-d)第二阶段打孔形成的贯穿孔后表面图片；
图3为实施例3中的金属贯穿孔的扫描电子显微镜(SEM)图片；3-a)为第一阶段打孔形成的贯穿孔前表面图；3-b)第一阶段打孔形成的贯穿孔后表面图片；3-c)第二阶段打孔形成的贯穿孔前表面图片；3-d)第二阶段打孔形成的贯穿孔后表面图片。
图中：1、激光放大器，2、第一半波片，3、偏振分束镜，4、挡板，5、第二半波片，6、光学窗片，7、透镜，8、工件，9、电控三维精密平移台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例中锥角、圆度和深宽比的计算公式如下：
锥角为孔内壁在深度方向的倾斜角，计算公式为θ＝arctan((D前-D后)/2L)，D前为贯穿孔前表面直径；D后为贯穿孔后表面直径。
圆度为孔后表面的水平方向直径与竖直方向直径之比。
深宽比(AR)为被加工件厚度(L)与前表面孔直径(D前)之比，即AR＝L/D前。
实施例1
如图1所示，安装激光打孔系统，依次并排设置激光放大器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第二半波片5、透镜7和电控三维精密平移台9；偏振分束镜3上侧方设置有挡板4，第二半波片5和透镜7之间设置有可拆卸的光学窗片6，电控三维精密平移台9上靠近透镜7的一侧安装有待加工工件8；激光放大器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第二半波片5、光学窗片6、透镜7和待加工工件8设置在同一直线上。
使用时，激光放大器1射出的激光脉冲依次经过第一半波片2和偏振分束镜3。然后，被偏振分束镜3反射的垂直偏振光入射到光学挡板4上，透射的水平偏振光依次经过第二半波片5、倾斜的光学窗片6和焦距100mm的平凸透镜7。最后，光束聚焦到工件8的表面，工件8被固定在电控三维精密平移台9上。
本实施例中的光学窗片6为对入射光波段高透射率的材料K9。
实施例2
在实施例1设置的激光打孔系统的基础上，对待加工工件进行激光打孔。
本实施例以厚度1.6mm的镍基合金Inconel 718片材为待加工的工件。
首先，设置激光放大器的参数并将入射激光焦点固定在工件表面。本实施例使用飞秒激光放大器，其参数为中心波长800nm，重复频率500Hz，脉冲宽度50fs，激光偏振方向为水平线偏振，平均功率0.2W。其中，转动第一半波片可连续调节偏振分束镜透射光的光功率，同时保证了入射到第二半波片前的激光为水平线偏振光。原位地观察平凸透镜后聚焦光束在被加工件表面烧蚀区域的大小，可以确定焦平面位置，并控制平移台将被加工件表面固定在焦平面处。
然后进行第一阶段打孔，在第一阶段打孔中，不加入光学窗片，激光光束直接经第二半波片和平凸透镜后直接入射到工件表面。首先，固定打孔时间为15分钟，调整第二半波片的旋转速度，使贯穿孔的后表面孔直径随着第二半波片的旋转速度而发生变化，得到该条件下最大孔直径为43μm，对应的旋转速度为10°/s；再以上述旋转速度旋转第二半波片，调整打孔时间，计算贯穿孔的深宽比AR和锥角a，得到该条件下最高深宽比AR＝21，最小锥角a＝0.6°，对应的打孔时间为15分钟，即为第一阶段打孔时间。该打孔时间是在第一阶段打孔中能够加工出最高深宽比的贯穿孔的时间，与打孔功率、样品厚度和脉冲重复频率有关。如再继续打孔5分钟，则贯穿孔的深宽比下降为19。因此，设置第一阶段打孔时间为15分钟，然后设置第二半波片的旋转速度为10°/s，在该条件下利用激光在厚度1.6mm的镍基合金Inconel 718片材上加工出最高深宽比的贯穿孔，贯穿孔的前表面和后表面SEM图片如图2-a)和2-b)所示。
再进行第二阶段打孔，在第二半波片和平凸透镜之间引入光学窗片，使激光光束依次经过第二半波片、倾斜的光学窗片和平凸透镜聚焦到工件的表面。
首先固定打孔时间为5分钟，调整光学窗片的倾斜角度，使贯穿孔后表面的锥角和圆度随着光学窗片倾斜角度而发生变化，计算得到该条件下最小锥角b＝0.04°和圆度为1时对应的光学窗片的倾斜角度为10°；设置光学窗片倾斜10°，调整打孔时间，再次计算贯穿孔的锥角，得到该条件下最小锥角c＝0.04°及其对应的打孔时间为5分钟，即为第二阶段打孔时间。设置第二阶段打孔时间为5分钟，然后分别设置第二半波片的旋转速度为10°/s，设置光学窗片的旋转速度为10°/s，在该条件下利用倾斜光束在第一阶段加工出的贯穿孔的孔内壁上进行二次加工，以减小孔锥角，改善孔圆度。最后加工出深宽比为20，直径80μm，锥角0.04°，圆度为1的贯穿孔。该贯穿孔经第二阶段打孔后形成的前表面和后表面SEM图片如图2-c)和2-d)所示。
实施例3
在实施例1设置的激光打孔系统和实施例2设置的激光加工参数的基础上，使用平均功率0.4W对待加工工件进行激光打孔。
本实施例以厚度2.3mm的镍基合金Inconel 718片材为待加工的工件。
首先进行第一阶段打孔。在第一阶段打孔中，不加入光学窗片，激光光束直接经第二半波片和平凸透镜后入射到工件表面。第一阶段打孔中第二半波片的旋转速度为10°/s。以所述旋转速度旋转第二半波片，调整打孔时间，计算贯穿孔的深宽比和锥角，得到该条件下最高深宽比AR＝23，锥角＝0.5°，对应的打孔时间为25分钟，即为第一阶段打孔时间。该打孔时间是在第一阶段打孔中能够加工出最高深宽比的贯穿孔的时间，与打孔功率、样品厚度和脉冲重复频率有关。如继续打孔5分钟，则贯穿孔的深宽比下降为22。因此，设置第一阶段打孔时间为25分钟，然后设置第二半波片的旋转速度为10°/s，在该条件下利用激光在厚度2.3mm的镍基合金Inconel 718片材上加工出高深宽比的贯穿孔，贯穿孔的前表面和后表面SEM图片如图3-a)和3-b)所示。
再进行第二阶段打孔，在第二半波片和平凸透镜之间引入光学窗片，使激光光束依次经过第二半波片、倾斜的光学窗片和平凸透镜聚焦到工件的表面。
首先在固定的打孔时间5分钟条件下，调整光学窗片的倾斜角度，使贯穿孔后表面的锥角和圆度随着光学窗片倾斜角度而发生变化，计算得到该条件下最小锥角b＝0.04°和圆度为1时对应的光学窗片的倾斜角度为15°；设置光学窗片倾斜15°，调整打孔时间，再次计算贯穿孔的锥角，得到该条件下最小锥角c＝0.04°对应的打孔时间为5分钟，即为第二阶段打孔时间。设置第二阶段打孔时间为5分钟，然后分别设置第二半波片的旋转速度为10°/s，设置光学窗片的旋转速度为10°/s，在该条件下利用倾斜光束对第一阶段加工出的贯穿孔的孔内壁进行二次加工，以减小孔锥角，改善孔圆度。最后加工出深宽比为22，直径100μm，锥角0.04°，圆度为1的贯穿孔。该贯穿孔经第二阶段打孔后形成的前表面和后表面SEM图片如图3-c)和3-d)所示。
实施例2和实施例3分别在不同厚度的待加工工件上进行贯穿孔的加工，其贯穿孔的SEM图片分别如附图2和附图3所示。实施例2中，如图2-a)和2-c)所示，贯穿孔在第一阶段打孔后和第二阶段打孔后，其前表面的孔直径几乎没有变化，因此贯穿孔的深宽比(AR)也基本不变；如图2-b)和2-d)所示，贯穿孔在第二阶段打孔后，其后表面的孔锥角和孔圆度相对于第一阶段打孔后发生了很大变化，明显消除了贯穿孔锥角，改善了圆度。如图3所示，实施例3得到的贯穿孔加工效果与实施例2相似，也是在不影响贯穿孔的深宽比的前提下，最大限度的改善了贯穿孔锥角和圆度。因此，本发明可以在不扩大孔前表面直径的前提下，有效消除贯穿孔锥角，改善圆度，加工圆柱形的高深宽比孔通道。而且本发明方法简单，仅需在第二半波片和透镜之间可拆卸的装入光学窗片，调节光学窗片的倾斜角度即可，方便操作，具有极强的实用性。
本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种改进金属贯穿孔的锥角和圆度的激光打孔系统的激光打孔方法，其特征在于，激光打孔系统包括依次并排设置的激光放大器、第一半波片、偏振分束镜、第二半波片、透镜和电控三维精密平移台；所述偏振分束镜侧方设置有挡板，所述第二半波片和透镜之间设置有可拆卸的光学窗片，电控三维精密平移台上靠近透镜的一侧安装有工件；所述激光放大器、第一半波片、偏振分束镜、第二半波片、光学窗片、透镜和工件设置在同一直线上；
所述激光打孔方法，包括以下步骤：
S1、设置激光参数并将激光经过透镜后的焦点位置固定在工件表面；
S2、第一阶段打孔：筛选设置第一阶段打孔时间，旋转第二半波片，利用激光在工件表面加工出贯穿孔；
筛选设置第一阶段打孔时间：先在固定的打孔时间下，调整第二半波片的旋转速度，使贯穿孔的后表面孔直径随着第二半波片的旋转速度而发生变化，得到该条件下最大孔直径对应的旋转速度；再以所述旋转速度旋转第二半波片，调整打孔时间，计算贯穿孔的深宽比和锥角，得到该条件下最高深宽比AR及最小锥角a对应的打孔时间，即为第一阶段打孔时间；
S3、第二阶段打孔：将倾斜的光学窗片安装在第二半波片和透镜之间，筛选设置第二阶段打孔时间，分别旋转第二半波片和光学窗片，在S2的贯穿孔的倾斜内壁上继续加工，获得改进锥角和圆度的金属贯穿孔；
筛选设置第二阶段打孔时间：先在固定的打孔时间下，调整光学窗片的倾斜角度，使贯穿孔后表面的锥角和圆度随着光学窗片倾斜角度而发生变化，计算得到该条件下最小锥角b和圆度为1时对应的光学窗片的倾斜角度；再以所述倾斜角度倾斜光学窗片，调整打孔时间，再次计算贯穿孔的锥角，得到该条件下最小锥角c对应的打孔时间，即为第二阶段打孔时间。
2.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，所述透镜为平凸透镜。
3.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，所述光学窗片为对入射光波段高透射率的材料。
4.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，所述第二半波片的旋转速度为10°/s～15°/s；所述光学窗片的旋转速度为10°/s。
5.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，所述锥角为孔内壁在深度方向的倾斜角，计算公式为 ，D前为贯穿孔前表面直径；D后为贯穿孔后表面直径。
6.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，所述圆度为孔后表面的水平方向直径与竖直方向直径之比。
7.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，所述S1中的激光为线偏振的飞秒激光。
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