CN114939740A - 一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法，包括Z轴超声换能器、Y轴移动横梁、滑轨、支撑架、工作台、振动基台、X轴滑台、X轴滑槽、X轴超声换能器、Y轴超声换能器等。超快激光器输出平行光束射入二向色镜，在二向色镜装夹单元中反射后进入聚焦透镜，Z轴超声换能器产生高频振动作用在Z轴滑台，使聚焦光斑在Z轴方向产生超声振动；在XY二维平面内，通过X轴和Y轴超声换能器作用在振动基台的超声振动，共同联动实现在三维空间内的超声振动，改变焦点的位置，有效排出气化物质和残留物，使得激光束可以辐射到设计的加工部位。X轴超声换能器和Y轴超声换能器形成超快激光光束的多种扫描轨迹，实现高深径比微小孔的高质高效加工。

Description

一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法
技术领域
本发明涉及超快激光制造与加工领域，尤其涉及一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法。
背景技术
近些年，由于超快脉冲激光具有加工质量高、热影响区小、可控性高等特点，广泛应用于航空航天领域和核工业领域构件的微纳制造，实现了涡轮叶片气膜冷却孔、发动机喷油嘴微孔以及点火靶充气微孔等的加工。
但由于超快脉冲激光微孔加工过程中产生等离子体(空气等离子体、空气和材料分子等离子体以及材料蒸汽等离子体等)，其在激光冲击波、温度骤降等条件下可发生重凝沉积，在加工表面形成固体小颗粒或凸起，等离子的堆积可导致大量激光能量被吸收，使得加工深度无法增加进而产生盲孔。现有技术针对金属材料的微小孔加工中等离子体的排出问题，采用电磁原理，外加一个磁场将等离子体吸附排出，但存在操作复杂、效率低、无法解决非金属材料等问题。亟需找到一种通用解决方案，实现各种材料高深径比微小孔的高质高效加工。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供一种三维超声振动辅助超快激光制孔的装置及方法，该方法利用超声波的高频振动来辅助激光制孔，通过超声振动使聚焦透镜在同轴产生一定的振幅，改变焦点的位置，将重凝回落的等离子团打散。同时在X轴方向和Y轴方向施加超声振动，使重凝回落的等离子团无法附着在孔壁，并且加速碎屑向孔外排出。超声振动主要以纵波形式传播，超声振动加快等离子体流动，使气化物质和残留物迅速排出，减少残留碎屑的堆积。碎屑的迅速排出使得激光束可以辐射到更深的部分，从而增加制孔深度和提高加工质量。
本发明采用的技术手段如下：
一种三维超声辅助超快激光制孔装置，包括超快激光制孔机构和超声辅助机构，所述超声辅助机构包括Z轴超声换能器和设置在振动基台上的Y轴超声换能器与X轴超声换能器，待加工工件设置在所述振动基台上，所述超快激光制孔机构输出的光束进入聚焦透镜，所述Z轴超声换能器用于使聚焦透镜在Z轴方向产生超声振动，改变光斑的位置，所述Y轴超声换能器与X轴超声换能器能够复合为预设的振动轨迹，所述振动基台和Z轴超声换能器联动后，在三维空间内完成预设的激光制孔运动轨迹。
进一步地，所述超快激光制孔机构包括超快激光器、激光导入机构，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入Z轴超声振动单元中，所述Z轴超声振动单元为容纳激光通过的中空结构，其包括所述Z轴超声换能器，所述Z轴超声振动单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生超声振动。
进一步地，所述激光导入机构包括二向色镜和用于夹持所述二向色镜的二向色镜装夹单元，所述二向色镜装夹单元超快激光器放置在支撑架上，支撑架能够与Y轴移动横梁同步运动。
进一步地，所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端由定位稍固定并与超声能量传输单元的输入端相连。
进一步地，Z轴滑槽固定在Y轴移动横梁上，Z轴滑槽与Z轴滑台配合，夹板夹紧Z轴超声振动单元并固定在Z轴滑台上，此结构保证Z轴超声换能器在工件垂直方向上自由移动；所述Y轴移动横梁可移动的安装在床身上，所述床身安装在工作台上，所述振动基台也安装在所述工作台上。
进一步地，还包括成像机构，所述成像机构用于基于经过Z轴超声振动单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀，所述成像机构有环形LED灯进行辅助照射。
进一步地，X轴超声换能器螺纹连接固定在X轴滑台上，钳形夹具一端固定在振动基台中心圆柱上，另一端连接Y轴超声换能器，所述钳形夹具由拧紧螺钉固定。
进一步地，所述X轴超声换能器和Y轴超声换能器组成的二维平面内，两者之间的角度由钳形夹具的拧紧螺钉进行调节，两个方向超声振动以单独、间序或同步叠加的形式工作，实现包括环形螺旋轨迹、环形椭圆轨迹、X轴单直线轨迹、Y轴单直线轨迹和井字格轨迹在内的振动轨迹；X轴滑台、Y轴移动横梁，与Z轴滑台联动，在三维空间内完成环切、同心圆或螺旋轨迹等多种运动轨迹。
进一步地，所述超快激光器产生超快激光包括皮秒激光、飞秒激光，其脉宽范围为5fs-10ps，轨迹包括同心圆、螺旋轨迹、单直线和双直线轨迹，孔加工直径范围在25-1000μm，最大深径比大于10:1；加工材料包括高性能合金、硬脆材料和复合材料。
一种三维超声振动辅助超快激光制孔方法，包括如下步骤：
步骤一：将工件装夹在超声振动辅助激光制孔装置的振动基台上；
步骤二：启动CCD摄像机，待加工工件的图像呈现后，根据光斑大小进行对刀，设置工件Z轴坐标零点，而后移动平台定位需要加工的位置；
步骤三：根据加工工艺方案，调节Y轴超声换能器与X轴超声换能器角度，并使其固定在振动基台的圆柱上；
步骤四：启动X轴/Y轴超声换能器，使两个方向的超声振动单独、间序或同步作用在振动基台上，实现不同的扫描轨迹；
步骤五：启动Z轴超声换能器，使Z轴超声振动单元产生超声振动，使得激光头上下振动，使得激光光斑出现正离焦和负离焦加工；
步骤六：启动超快激光器，使超快激光器产生的激光束在二向色镜装夹单元中45°垂直反射进入Z轴超声振动单元中，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，激光焦点在加工区域上下振动，同时X轴Y轴超声换能器共同振动，实现在三维空间内共同超声振动，振动同时能够加快等离子体产物排出。
1.本发明的一种三维超声振动辅助超快激光制孔装置是在传统超快激光制孔基础上添加超声辅助，一方面通过对聚焦透镜施加超声振动改变激光束焦点位置，使激光和超声振动可以同轴并且同时进行，另一方面在X轴和Y轴施加超声振动，与Z轴实现联动，实现在三维空内的超声振动。此方法可以加速熔渣的去除，使熔渣无法附着在孔内壁上，从而减少或避免等离子团在孔壁再次沉积。同时超声振动也可以明显改善孔壁的表面质量，从而达到提高加工效率、提高加工精度及质量的目的。
2.本发明的Y轴超声换能器和X轴超声换能器振幅叠加后有三种震动模式，一种是X轴或者Y轴单一方向超声振动；第二种是X轴和Y轴同时振动，叠加后的振动轨迹可为螺旋轨迹或者椭圆轨迹，第三种是X轴和Y轴间序振动，叠加后轨迹为井字型，进而根据粗加工和精加工需求选择不同的加工轨迹。
3.本发明利用超声波的高频振动来辅助激光制孔，通过纵波形式的超声振动可以将材料蒸汽形成的离子团打碎，防止重新凝结在孔内壁，并且更容易通过超声振动排除孔外。
4、本发明结构简单易于加工，不仅可以垂直制孔，还可以各种角度加工斜孔、锥形孔、椭圆孔等。并且可以完成多种加工轨迹，如同心圆轨迹、螺旋进给轨迹、单直线及双直线轨迹等。具有极高的创新性、先进性，可以满足工程中微小孔的高质高效加工需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明三维超声辅助超快激光制孔装置等轴测图。
图2为Z轴超声振动单元的主剖视图。
图3为三维超声振动辅助超快激光制孔装置的光路示意图。
图4为X轴、Y轴超声振动基台工作等轴测图。
图5为X轴、Y轴夹角<90°超声振动基台俯视图。
图6为扫描轨迹为环切时X/Y二维平面相对于Z轴超声振动区域示意图，(a)为X轴超声换能器不工作、Y轴超声换能器工作时超声振动区域，(b)为X轴超声换能器工作、Y轴超声换能器不工作时超声振动区域，(c)为X轴、Y轴超声换能器差动工作时超声振动区域，(d)为X轴、Y轴夹角90°时同时工作超声振动区域，(e)为X轴、Y轴夹角小于90°时同时工作超声振动区域。
图7扫描轨迹为同心圆时X/Y二维平面相对于Z轴超声振动区域示意图，(a)为X轴超声换能器不工作、Y轴超声换能器工作时超声振动区域，(b)为X轴超声换能器工作、Y轴超声换能器不工作时超声振动区域，(c)为X轴、Y轴超声换能器差动工作时超声振动区域，(d)为X轴、Y轴夹角90°时同时工作超声振动区域，(e)为为X轴、Y轴夹角小于90°时同时工作超声振动区域。
图8为普通超快激光制孔效果与三维超声辅助超快激光制孔效果对比图，其中，左为普通超快激光制孔，右为本发明三维超声辅助超快激光制孔。
图中：1-工作台，2-床身，3-导轨，4-横梁，5-Z轴滑槽，6-Z轴滑台，7-L型夹板，8-Z轴超声换能器，9-二向色镜装夹装置，10-支撑架，11-超快激光器，12-激光保护壳，13-激光头，14-X轴超声换能器，15-Y轴超声换能器，16-振动基台，21-钳形夹具，22-固定块，23-X轴滑槽，24-丝杠螺母，25-X轴滑台，26-丝杠，27-固定块，28-CCD摄像机，29-环形LED灯，30-二向色镜，31-窗口片，32-聚焦透镜，33-透镜压块，41-工件，42-Z轴超声振动单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种三维超声辅助超快激光制孔装置，包括超快激光制孔机构和超声辅助机构，所述超声辅助机构包括Z轴超声换能器和设置在振动基台上的Y轴超声换能器与X轴超声换能器，待加工工件设置在所述振动基台上，所述超快激光制孔机构输出的光束进入聚焦透镜，所述Z轴超声换能器用于使聚焦透镜在Z轴方向产生超声振动，改变光斑的位置，所述Y轴超声换能器与X轴超声换能器能够复合为预设的振动轨迹，所述振动基台和Z轴超声换能器联动后，在三维空间内完成预设的激光制孔运动轨迹。本实施例具体由放置于Z轴滑台6上的Z轴超声换能器8、Y轴移动横梁4、导轨3、支撑架10、工作台1、振动基台16、X轴滑台25、X轴滑槽23、X轴超声换能器14、Y轴超声换能器15组成。
所述超快激光制孔机构包括超快激光器、激光导入机构，所述超快激光器11输出平行光束射入二向色镜30，在二向色镜装夹单元9中反射后通过Z轴超声换能器8使聚焦光斑在Z轴方向产生超声振动；所述三维超声辅助超快激光制孔装置包括X轴超声换能器14、Y轴超声换能器15、振动基台16；其X轴超声换能器14螺纹连接固定在X轴滑台25，钳形夹具21一端固定在振动基台16中心圆柱上，另一端连接Y轴超声换能器15；所述钳形夹具21由拧紧螺钉固定，卸下拧紧螺钉可调节角度，可调节角度范围在0～90°。
所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入Z轴超声振动单元42中，所述Z轴超声振动单元为容纳激光通过的中空结构，其包括所述Z轴超声换能器，所述Z轴超声振动单元的输出端连接有激光头13，所述激光头的输出端能够产生超声振动。所述激光头包括：激光头壳体和设置在其中的聚焦透镜32、聚焦透镜压块33、聚焦透镜转接环，激光头壳体内部为空心锥形结构，激光头上端设有外螺纹与变幅杆输出端的内螺纹连接，所述聚焦透镜压环将聚焦透镜固定在聚焦透镜转接环上，所述聚焦透镜转接环安装在激光头壳体内部。
二向色镜装夹单元9与超快激光器11放置在支撑架10上，支撑架10能够与Y轴移动横梁4同步运动，保证了激光的精准度。
所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片31，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端由定位稍固定并与超声能量传输单元的输入端相连。
所述Z轴滑槽5固定在Y轴移动横梁4上，Z轴滑槽与Z轴滑台6配合，L型夹板7夹紧激光保护壳12并固定在Z轴滑台6，此结构保证Z轴超声换能器8在工件垂直方向上自由移动；所述Y轴移动横梁通过导轨3可移动的安装在床身2上，所述床身2安装在工作台1上，所述振动基台也安装在所述工作台上；所述振动基台16在X方向和Y方向分别设有结构相同的X轴超声换能器14和Y轴超声换能器15，丝杠螺母24通过螺钉固定在X轴滑台25，由丝杠26转动带动X轴滑台25在X轴滑槽23实现自由移动，所述丝杠的两端连接在第一固定块22和第二固定块27上。所述Z轴超声换能器8固定在Z轴滑台6，产生的超声振动使聚焦透镜32的位置发生改变，从而改变光斑的位置。
在X轴/Y轴二维平面内，通过控制X轴超声振动与Y轴超声振动的夹具以及工作状态，可实现X轴或者Y轴单方向超声振动、X轴和Y轴间序振动以及X轴和Y轴同步振动三种工作模式，可以实现不同的振动轨迹，包括环形螺旋轨迹、环形椭圆轨迹、X轴单直线轨迹、Y轴单直线轨迹和井字格轨迹，实现环切、同心圆或螺旋轨迹等的扫描加工方式。
如图3所示，为本发明一种三维超声振动辅助超快激光制孔装置的激光光路示意图，被摄加工工件41的图像反射光经过二向色镜30，在环形LED灯29照射下，传入CCD摄像机28，使超快激光光斑精准定位。
所述超快激光器11产生超快激光包括皮秒激光、飞秒激光，其脉宽范围为5fs-10ps。其可采用同心圆、螺旋轨迹、单直线或双直线轨迹进行加工，孔加工直径范围在25-1000μm，最大深径比大于10:1。
本申请其加工材料包括高性能合金：钨合金、钛合金、镍合金；硬脆材料：光学玻璃、晶体材料、陶瓷材料；复合材料：纤维增强树脂基材料、颗粒增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等。
本实施例中所提到的X轴/Y轴/Z轴超声换能器，其输出端为变幅杆，输入端由超声电源将超声信号由导线和接线柱转递给压电陶瓷，产生超声振动通过后端盖外螺纹传递给变幅杆，并经过变幅杆将振幅放大。
其中的Z轴超声换能器，变幅杆为空心阶梯结构。
如图5-7所示，为本发明XY二维平面相对于Z轴超声振动区域示意图，图6为扫描轨迹为环切时XY二维平面相对于Z轴超声振动区域示意图，图7扫描轨迹为同心圆时XY二维平面相对于Z轴超声振动区域示意图。
如图8所示，为普通超快激光制孔效果与本发明一种三维超声辅助超快激光制孔效果对比图，大深径比加工条件下，普通超快脉冲激光微孔加工过程中的等离子团以及少量材料残渣阻碍激光的传播，使得加工深度无法增加。在增加三维超声辅助后，超快脉冲激光光斑相对于加工区产生三维超声振动，将烧蚀区的离子团打碎为破碎的等离子团，并随着材料残渣一并被带出工件。
一种三维超声振动辅助超快激光制孔方法，包括如下步骤：
步骤一：将按要求处理好的工件正确装夹在超声振动辅助激光制孔装置的平台上；
步骤二：启动CCD摄像机，待加工工件的图像呈现后，根据光斑大小进行对刀，设置工件Z轴坐标零点，而后移动平台定位需要加工的位置；
步骤三：根据加工工艺方案，调节Y轴超声换能器与X轴超声换能器角度，并使其固定在振动基台的圆柱上；
步骤四：启动X轴/Y轴超声换能器，使两个方向的超声振动单独、间序或同步作用在振动基台上，实现不同的扫描轨迹；
步骤五：启动Z轴超声换能器，使Z轴超声振动单元产生超声振动，使得激光头上下振动，使得激光光斑出现正离焦和负离焦加工；
步骤六：启动超快激光器，使超快激光器产生的激光束在二向色镜装夹单元中45°垂直反射进入Z轴超声振动单元中，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，激光焦点在加工区域上下振动，同时X轴Y轴超声换能器共同振动，实现在三维空间内共同超声振动，振动同时能够加快等离子体等产物排出，实现高深径比孔的高质高效加工。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，包括超快激光制孔机构和超声辅助机构，所述超声辅助机构包括Z轴超声换能器和设置在振动基台上的Y轴超声换能器与X轴超声换能器，待加工工件设置在所述振动基台上，所述超快激光制孔机构输出的光束进入聚焦透镜，所述Z轴超声换能器用于使聚焦透镜在Z轴方向产生超声振动，改变光斑的位置，所述Y轴超声换能器与X轴超声换能器能够复合为预设的振动轨迹，所述振动基台和Z轴超声换能器联动后，在三维空间内完成预设的激光制孔运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述超快激光制孔机构包括超快激光器、激光导入机构，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入Z轴超声振动单元中，所述Z轴超声振动单元为容纳激光通过的中空结构，其包括所述Z轴超声换能器，所述Z轴超声振动单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生超声振动。
3.根据权利要求2所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述激光导入机构包括二向色镜和用于夹持所述二向色镜的二向色镜装夹单元，所述二向色镜装夹单元超快激光器放置在支撑架上，支撑架能够与Y轴移动横梁同步运动。
4.根据权利要求3所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端由定位稍固定并与超声能量传输单元的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，Z轴滑槽固定在Y轴移动横梁上，Z轴滑槽与Z轴滑台配合，夹板夹紧Z轴超声振动单元并固定在Z轴滑台上，此结构保证Z轴超声换能器在工件垂直方向上自由移动；所述Y轴移动横梁可移动的安装在床身上，所述床身安装在工作台上，所述振动基台也安装在所述工作台上。
6.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，还包括成像机构，所述成像机构用于基于经过Z轴超声振动单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀，所述成像机构有环形LED灯进行辅助照射。
7.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，X轴超声换能器螺纹连接固定在X轴滑台上，钳形夹具一端固定在振动基台中心圆柱上，另一端连接Y轴超声换能器，所述钳形夹具由拧紧螺钉固定。
8.根据权利要求7所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述X轴超声换能器和Y轴超声换能器组成的二维平面内，两者之间的角度由钳形夹具的拧紧螺钉进行调节，两个方向超声振动以单独、间序或同步叠加的形式工作，实现包括环形螺旋轨迹、环形椭圆轨迹、X轴单直线轨迹、Y轴单直线轨迹和井字格轨迹在内的振动轨迹；X轴滑台、Y轴移动横梁，与Z轴滑台联动，在三维空间内完成环切、同心圆或螺旋轨迹等多种运动轨迹。
9.根据权利要求2所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述超快激光器产生超快激光包括皮秒激光、飞秒激光，其脉宽范围为5fs-10ps，轨迹包括同心圆、螺旋轨迹、单直线和双直线轨迹，孔加工直径范围在25-1000μm，最大深径比大于10:1；加工材料包括高性能合金、硬脆材料和复合材料。
10.一种三维超声振动辅助超快激光制孔方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将工件装夹在超声振动辅助激光制孔装置的振动基台上；
步骤二：启动CCD摄像机，待加工工件的图像呈现后，根据光斑大小进行对刀，设置工件Z轴坐标零点，而后移动平台定位需要加工的位置；
步骤三：根据加工工艺方案，调节Y轴超声换能器与X轴超声换能器角度，并使其固定在振动基台的圆柱上；
步骤四：启动X轴/Y轴超声换能器，使两个方向的超声振动单独、间序或同步作用在振动基台上，实现不同的扫描轨迹；
步骤五：启动Z轴超声换能器，使Z轴超声振动单元产生超声振动，使得激光头上下振动，使得激光光斑出现正离焦和负离焦加工；
步骤六：启动超快激光器，使超快激光器产生的激光束在二向色镜装夹单元中45°垂直反射进入Z轴超声振动单元中，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，激光焦点在加工区域上下振动，同时X轴Y轴超声换能器共同振动，实现在三维空间内共同超声振动，振动同时能够加快等离子体产物排出。
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