CN114952040B - 一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法 - Google Patents

一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法 Download PDF

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Abstract

一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，涉及一种合金曲面的激光钻孔方法。本发明是要解决目前合金曲面的飞秒激光钻孔时孔锥度不可控、整体圆度较差的技术问题。在本发明的镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法中，由于激光功率随着加工深度的增加而增加，且单层进给量阶段式降低，因此在钻孔过程中可以降低由于孔深度的增加使能量吸收率降低的负面影响，提高了能量利用率，使出口一侧能量密度显著增加，从而改善了锥度，提高了小曲率曲面微孔加工的质量。

Description

一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法
技术领域
本发明涉及一种合金曲面的激光钻孔方法。
背景技术
激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用。近年来，科学家研究发现了一种更为奇特的激光-飞秒激光，飞秒(femtosecond)也叫毫微微秒，简称fs，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大，已有所应用。科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。在飞秒激光钻孔领域，所加工孔的内径一致性和内表面粗糙度是决定其钻孔质量的重要评判指标。对于平面类型的零部件，已经有较多的工艺研究方案。然而针对曲面试件，由于其内外表面均为曲面，在钻孔过程中会出现孔锥度不可控、整体圆度较差等问题，制约了飞秒激光制孔工艺对于该类部件的应用。在航空航天领域，GH3230镍基合金常用于制备发动机关键零部件，其中有大量小尺寸的曲面类结构件需进行高质量的精密钻孔以满足使用需求。现阶段飞秒激光钻孔工艺在该方向上仍存在着工艺和加工方法的局限性。
发明内容
本发明是要解决目前合金曲面的飞秒激光钻孔时孔锥度不可控、整体圆度较差的技术问题，而提供一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法。
本发明的镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法是按以下步骤进行的：
一、钻孔前超声清洗合金曲面试件以去除表面油污和杂质；钻孔方向从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心；所述的合金曲面试件为镍基合金，壁厚小于等于6mm；所述的孔为圆形通孔；
二、预先设计激光钻孔路径：沿着所要钻的孔的深度方向分为三部分，孔与合金曲面试件外壁的交界线所在的平面到合金曲面试件外壁的区域为Part1，沿着孔深的方向的长度为H1；Part1部分的单层进给量为0.015mm～0.016mm，激光功率为10W～11W；
孔与合金曲面试件内壁的交界线所在的平面到合金曲面试件内壁的切线的区域为Part3，沿着孔深的方向的长度为H3；Part3部分单层进给量为0.008mm～0.009mm，功率为16W～17W；
Part1到Part3之间的区域为Part2，沿着孔深的方向的长度为H2；Part2部分的单层进给量和激光功率是根据H2数值确定的，具体确定方法如下：
当H2≤1mm时，单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W；
当1mm＜H2≤2mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W；
当2mm＜H2≤4mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W，进给X2层，X2为34～36；最后的单层进给量h3＝0.01mm～0.011mm，功率为14W～15W；
当4mm＜H2≤6mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W，进给X2层，X2为34～36；然后的单层进给量h3＝0.01mm～0.011mm，功率为14W～15W，进给X3层，X3为46～48；最后的单层进给量h4＝0.008mm～0.009mm，功率为16W～17W；
激光路径为螺旋路径，Part1部分螺旋轨迹的半径从0到D/4，Part2部分螺旋轨迹的半径从0到D/2，Part3部分螺旋轨迹的半径从D/4到D/2；D为钻孔直径，1.5mm≥D≥0.1mm；
螺旋圈数是根据激光光斑直径和钻孔直径计算得来的，具体计算方式为：其中q为Part2的螺旋圈数，d为激光光斑直径，D为钻孔直径，k为有效烧蚀系数，取0.8～0.9，此公式保证相邻两圈的激光光斑有重叠区域；
Part1和Part3的螺旋圈数为Part2的一半；
激光的扫描速度和单层扫描时间需要和每个区域的螺旋圈数配合，具体计算方式为：
q′＝vt，q′为螺旋圈数，v为扫描速度，t为单层扫描时间，三个区域Part1、Part2和Part3的扫描速度相同；
三、从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心方向开始激光钻孔至通孔；离焦量为0，脉冲宽度为200fs，激光频率为100kHz。
在本发明的镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法中，由于激光功率随着加工深度的增加而增加，且单层进给量阶段式降低，因此在钻孔过程中可以降低由于孔深度的增加使能量吸收率降低的负面影响，提高了能量利用率，使出口一侧能量密度显著增加，从而改善了锥度，提高了小曲率曲面微孔加工的质量。
附图说明
图1为试验一中合金曲面试件的局部剖面图；
图2为图1中孔的示意图；
图3为具体实施方式一的步骤二中Part1部分螺旋轨迹示意图，螺旋圈数为5；
图4为具体实施方式一的步骤二中Par2部分螺旋轨迹示意图，螺旋圈数为10；
图5为具体实施方式一的步骤二中Part3部分螺旋轨迹示意图，螺旋圈数为5。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，具体是按以下步骤进行的：
一、钻孔前超声清洗合金曲面试件以去除表面油污和杂质；钻孔方向从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心；所述的合金曲面试件为镍基合金，壁厚小于等于6mm；所述的孔为圆形通孔；
二、预先设计激光钻孔路径：沿着所要钻的孔的深度方向分为三部分，孔与合金曲面试件外壁的交界线所在的平面到合金曲面试件外壁的区域为Part1，沿着孔深的方向的长度为H1；Part1部分的单层进给量为0.015mm～0.016mm，激光功率为10W～11W；
孔与合金曲面试件内壁的交界线所在的平面到合金曲面试件内壁的切线的区域为Part3，沿着孔深的方向的长度为H3；Part3部分单层进给量为0.008mm～0.009mm，功率为16W～17W；
Part1到Part3之间的区域为Part2，沿着孔深的方向的长度为H2；Part2部分的单层进给量和激光功率是根据H2数值确定的，具体确定方法如下：
当H2≤1mm时，单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W；
当1mm＜H2≤2mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W；
当2mm＜H2≤4mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W，进给X2层，X2为34～36；最后的单层进给量h3＝0.01mm～0.011mm，功率为14W～15W；
当4mm＜H2≤6mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W，进给X2层，X2为34～36；然后的单层进给量h3＝0.01mm～0.011mm，功率为14W～15W，进给X3层，X3为46～48；最后的单层进给量h4＝0.008mm～0.009mm，功率为16W～17W；
激光路径为螺旋路径，Part1部分螺旋轨迹的半径从0到D/4(如图3所示)，Part2部分螺旋轨迹的半径从0到D/2(如图4所示)，Part3部分螺旋轨迹的半径从D/4到D/2(如图5所示)；D为钻孔直径，1.5mm≥D≥0.1mm；
螺旋圈数是根据激光光斑直径和钻孔直径计算得来的，具体计算方式为：其中q为Part2的螺旋圈数，d为激光光斑直径，D为钻孔直径，k为有效烧蚀系数，取0.8～0.9，此公式保证相邻两圈的激光光斑有重叠区域即每圈之间紧密贴合且有重贴部分；
Part1和Part3的螺旋圈数为Part2的一半；
激光的扫描速度和单层扫描时间需要和每个区域的螺旋圈数配合，具体计算方式为：
q′＝vt，q′为螺旋圈数，v为扫描速度，t为单层扫描时间，三个区域Part1、Part2和Part3的扫描速度相同；
三、从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心方向开始激光钻孔至通孔；离焦量为0，脉冲宽度为200fs，激光频率为100kHz。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光钻孔时，信号控制系统将激光工艺参数传输给能量控制系统，能量控制系统根据所述参数产生信号传输至激光器，所述激光器根据所述信号发射激光。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的激光为红外激光；步骤一中所述的合金曲面试件为GH3230镍基合金。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中Part1部分的单层进给量为0.015mm，激光功率为10W。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中Part3部分单层进给量为0.008mm，功率为16W。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中当H2≤1mm时，单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中当1mm＜H2≤2mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W，进给X2层，X2为35。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中当2mm＜H2≤4mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W，进给X2层，X2为35；最后的单层进给量h3＝0.01mm，功率为14W，进给X3层，X3为47。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤二中当4mm＜H2≤6mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W，进给X2层，X2为35；然后的单层进给量h3＝0.01mm，功率为14W，进给X3层，X3为47；最后的单层进给量h4＝0.008mm，功率为16W，进给X4层，X4为73。其他与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤二中k为有效烧蚀系数，取0.9。其他与具体实施方式九相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，如图1和图2所示，具体是按以下步骤进行的：
一、钻孔前超声清洗合金曲面试件以去除表面油污和杂质；钻孔方向从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心；所述的合金曲面试件为GH3230镍基合金；所述的孔为圆形通孔，直径D为1mm；合金曲面试件的璧厚为6mm，内径为8mm，外径为20mm；
二、预先设计激光钻孔路径：如图1和图2所示，沿着所要钻的孔的深度方向分为三部分，孔与合金曲面试件外壁的交界线所在的平面到合金曲面试件外壁的区域为Part1即图中的1-1，沿着孔深的方向的长度为H1，具体为0.05mm；Part1部分的单层进给量为0.015mm，激光功率为10W，进给2层；
孔与合金曲面试件内壁的交界线所在的平面到合金曲面试件内壁的切线的区域为Part3即图中的1-3，沿着孔深的方向的长度为H3，具体为0.13mm；Part3部分单层进给量为0.008mm，功率为16W，进给7层将孔钻透；
Part1到Part3之间的区域为Part2即图中的1-2，沿着孔深的方向的长度为H2，具体为5.95mm；Part2部分的单层进给量和激光功率：
首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W，进给X2层，X2为35；然后的单层进给量h3＝0.01mm，功率为14W，进给X3层，X3为47；最后的单层进给量h4＝0.008mm，功率为16W，进给X4层，X4为73；
H1和H2之和即为合金曲面试件的壁厚；
激光路径为螺旋路径，Part1部分螺旋轨迹的半径从0到250μm，Part2部分螺旋轨迹的半径从0到500μm，Part3部分螺旋轨迹的半径从250μm到500μm；
螺旋圈数是根据激光光斑直径和钻孔直径计算得来的，具体计算方式为：其中q为Part2的螺旋圈数，d为激光光斑直径20μm，D为钻孔直径1mm，k为有效烧蚀系数，取0.9，最终q取40，此数值保证相邻两圈的激光光斑有重叠区域；
Part1和Part3的螺旋圈数为Part2的一半，均为20；
激光的扫描速度和单层扫描时间需要和每个区域的螺旋圈数配合，具体计算方式为：
q′＝vt，q′为螺旋圈数，v为扫描速度，t为单层扫描时间，三个区域Part1、Part2和Part3的扫描速度相同；扫描速度v为2400RPM，Part1部分单层扫描时间t为0.5s，Part2部分单层扫描时间t为1s，Part3部分单层扫描时间t为0.5s。
三、从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心方向开始激光钻孔至通孔；离焦量为0，脉冲宽度为200fs，激光频率为100kHz；
激光钻孔时，信号控制系统将激光工艺参数传输给能量控制系统，能量控制系统根据所述参数产生信号传输至激光器，所述激光器根据所述信号发射激光；所述的激光为红外激光。
在本试验的镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法中，由于激光功率随着加工深度的增加而增加，且单层进给量阶段式降低，因此在钻孔过程中可以降低由于孔深度的增加使能量吸收率降低的负面影响，提高了能量利用率，使出口一侧能量密度显著增加，从而改善了锥度，提高了小曲率曲面微孔加工的质量。

Claims (10)

1.一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法是按以下步骤进行的：
一、钻孔前超声清洗合金曲面试件以去除表面油污和杂质；钻孔方向从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心；所述的合金曲面试件为镍基合金，壁厚小于等于6mm；所述的孔为圆形通孔；
二、预先设计激光钻孔路径：沿着所要钻的孔的深度方向分为三部分，孔与合金曲面试件外壁的交界线所在的平面到合金曲面试件外壁的区域为Part1，沿着孔深的方向的长度为H1；Part1部分的单层进给量为0.015mm～0.016mm，激光功率为10W～11W；
孔与合金曲面试件内壁的交界线所在的平面到合金曲面试件内壁的切线的区域为Part3，沿着孔深的方向的长度为H3；Part3部分单层进给量为0.008mm～0.009mm，功率为16W～17W；
Part1到Part3之间的区域为Part2，沿着孔深的方向的长度为H2；Part2部分的单层进给量和激光功率是根据H2数值确定的，具体确定方法如下：
当H2≤1mm时，单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W；
当1mm＜H2≤2mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W；
当2mm＜H2≤4mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W，进给X2层，X2为34～36；最后的单层进给量h3＝0.01mm～0.011mm，功率为14W～15W；
当4mm＜H2≤6mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm～0.016mm，功率为10W～11W，进给X1层，X1为24～26；然后单层进给量h2＝0.012mm～0.013mm，功率为12W～13W，进给X2层，X2为34～36；然后的单层进给量h3＝0.01mm～0.011mm，功率为14W～15W，进给X3层，X3为46～48；最后的单层进给量h4＝0.008mm～0.009mm，功率为16W～17W；
激光路径为螺旋路径，Part1部分螺旋轨迹的半径从0到D/4，Part2部分螺旋轨迹的半径从0到D/2，Part3部分螺旋轨迹的半径从D/4到D/2；D为钻孔直径，1.5mm≥D≥0.1mm；
螺旋圈数是根据激光光斑直径和钻孔直径计算得来的，具体计算方式为：
其中q为Part2的螺旋圈数，d为激光光斑直径，D为钻孔直径，k为有效烧蚀系数，取0.8～0.9；
Part1和Part3的螺旋圈数为Part2的一半；
激光的扫描速度和单层扫描时间需要和每个区域的螺旋圈数配合，具体计算方式为：
q′＝vt，q′为螺旋圈数，v为扫描速度，t为单层扫描时间，三个区域Part1、Part2和Part3的扫描速度相同；
三、从合金曲面试件的外壁指向合金曲面试件的圆心方向开始激光钻孔至通孔；离焦量为0，脉冲宽度为200fs，激光频率为100kHz。
2.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于激光钻孔时，信号控制系统将激光工艺参数传输给能量控制系统，能量控制系统根据所述参数产生信号传输至激光器，所述激光器根据所述信号发射激光。
3.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于所述的激光为红外激光。
4.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中Part1部分的单层进给量为0.015mm，激光功率为10W。
5.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中Part3部分单层进给量为0.008mm，功率为16W。
6.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中当H2≤1mm时，单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W。
7.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中当1mm＜H2≤2mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W。
8.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中当2mm＜H2≤4mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W，进给X2层，X2为35；最后的单层进给量h3＝0.01mm，功率为14W。
9.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中当4mm＜H2≤6mm时，首先单层进给量h1＝0.015mm，功率为10W，进给X1层，X1为25；然后单层进给量h2＝0.012mm，功率为12W，进给X2层，X2为35；然后的单层进给量h3＝0.01mm，功率为14W，进给X3层，X3为47；最后的单层进给量h4＝0.008mm，功率为16W。
10.根据权利要求1所述的一种镍基合金曲面的飞秒激光钻孔方法，其特征在于步骤二中k为有效烧蚀系数，取0.9。
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