CN115890024A - 一种超快激光加工矩形斜孔的方法 - Google Patents

一种超快激光加工矩形斜孔的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超快激光加工矩形斜孔的方法。本发明基于“线‑面‑体”层层递进的研究思路，首先进行超快激光划槽试验确定光斑重叠率、激光功率等参数；其次进行线重叠率试验根据相关评价标准选择合适的线重叠率；再其次进行面扫描试验，根据加工效果得出烧蚀深度相关参数的映射关系，同时选择合适的面扫面轨迹并选取合适的进给量作为焦点下移距离；最后进行通孔试验，根据实际加工需求按权重优选试验加工参数，最终实现矩形斜孔的加工。本发明系统地建立了超快激光加工矩形斜孔的加工参数确定方法，实现不同倾角矩形孔的高质高效加工，同时工程化应用程度高、生产成本低。

Description

一种超快激光加工矩形斜孔的方法
技术领域
本发明涉及航空发动机热端部件上的冷却孔的激光钻孔领域，尤其涉及一种超快激光加工矩形斜孔的方法。
背景技术
航空发动机中的热端构件，例如涡轮叶片通常在超高温环境中工作，其前端进口温度已经高达约3800°F(2093℃)，已经超过现有材料的服役温度，因此需要在构件上设计大量形状各异的气膜冷却孔进行冷却。气膜冷却孔直径在300μm-1000μm，形状有直圆孔、斜圆孔、斜矩形孔、簸箕孔等，这对加工技术提出了挑战。
对于高温合金以及单晶镍基高温合金等高温材料的气膜孔加工，目前国内外常用的加工方法为电火花加工(EDM)、激光加工(LAM)(如中国专利CN114289808A、CN112894040A、CN106735943B、CN113210856A)。该类专利虽然提高了气膜孔加工质量和效率，然而当加工陶瓷、陶瓷基复合材料等非金属或导电性差的材料时，电火花加工方式存在一定的局限性。例如当热端构件材料为陶瓷基复合材料时，其导电性差且表面有热障涂层(TBC)(不导电)，因而电加工工艺方式无法适用；目前叶片气膜孔形状也向复杂异型发展，由于电火花电极形状单一，无法加工出性能更加优异的异型气膜孔。对于长脉冲激光加工，仍然存在加工质量差(重铸层、热影响区、裂纹等加工缺陷)缺点。
因此，亟需兼顾加工效率和孔型质量的创新加工方法，超快激光加工相比于长脉冲加工，具有热影响区小、几乎无重铸层和热裂纹等优点，是复杂异型气膜孔高质高效加工的一种极具潜力的加工技术，例如(中国专利CN105458530B、CN113059277A、CN110202277B)。该类专利都提出了超快激光加工气膜孔的方法，然而目前超快激光加工气膜孔的研究方向主要致力于圆形孔的研究，对于倾斜矩形孔的研究几乎没有，其加工方法全靠工人经验，且尚无系统地研究多加工参数对加工结果的映射模型以及满足加工要求的加工工艺。
目前尚无超快激光加工矩形斜孔的研究方法，亟需提出一种针对矩形斜孔的研究方法，系统地研究多个参数的确定及耦合调控，为矩形斜孔的超快激光加工提供技术指导。
发明内容
为解决以上所述加工缺点和研究空白，本发明提供了一种超快激光加工矩形斜孔的方法，以解决现有技术存在的问题，本发明基于“线-面-体”层层递进的研究思路，系统地建立了超快激光加工矩形斜孔的加工参数确定方法，实现不同倾角的矩形孔加工，同时兼顾了高质高效的加工。本发明采用的技术手段如下：
本发明基于“线-面-体”层层递进的研究思路，首先进行超快激光划槽试验确定光斑重叠率、激光功率等参数；其次进行线重叠率试验根据相关评价标准选择合适的线重叠率；再其次进行面扫描试验，根据加工效果得出烧蚀深度相关参数的映射关系，同时选择合适的面扫面轨迹并选取合适的进给量作为焦点下移距离；最后进行通孔试验，根据实际加工需求按权重优选试验加工参数，最终实现矩形斜孔的加工。具体地，
一种超快激光加工矩形斜孔的方法，包括如下步骤：
步骤一：使用夹具将待加工工件安装在工作台上面，调节工件与工作台面之间所需要角度θ，固定并夹紧；调节激光器射出的激光束与工件的相对位置，利用CCD相机定位光斑成像位置；
步骤二：进行X轴、Y轴单线划槽试验，X轴方向平行于工作台平面，Y轴方向平行于工件平面，且与工作台面夹角为θ，通过不同的脉冲能量E,光斑重叠率的单因素试验得到烧蚀轮廓随超快激光加工参数的变化规律，根据烧蚀表面质量、线残留率η作为评判标准，确定包括脉冲能量E、X方向光斑重叠率Rs，Y方向光斑重叠率RP，X、Y方向烧蚀宽度DX、DY，最佳X、Y方向扫描速度VX、VY在内的激光加工参数；
步骤三：进行不同线重叠率λd试验，观察不同激光参数对烧蚀结轮廓的影响规律，通过加工效率和多线残留率β作为评判标准，评价指标选取合适的线重叠率λd和X、Y方向的线位移量ΔX、ΔY；
步骤四：利用步骤二单线划槽试验和步骤三线重叠率λd试验选取的加工参数，进行不同类型扫描轨迹的面扫描试验，根据加工质量和加工效率确定合适的单层扫描轨迹；
步骤五：进行定焦N次面扫描试验，确定加工深度H随扫描次数N的变化规律，确定合适的定焦扫描次数Nc和进给量ΔZ；
步骤六：根据以上步骤所选定参数进行通孔实验，根据通孔质量、孔壁锥度的相关评价指标，返回步骤二、步骤三、步骤五对参数进行调整，直至加工出符合要求的通孔，确定不同参数下的进给次数S；
步骤七：完成加工，将工件从工作台卸下，对工件进行清理。
进一步地，所述激光器包括超快脉冲激光器，具体包括皮秒激光和飞秒激光，其脉宽范围为5fs-10ps。
进一步地，步骤二中，X方向光斑重叠率通过如下公式求得：
Rs＝(Db-VX/f)/Db；
Y方向光斑重叠率通过如下公式求得：
RP＝(Da-VY/f)/Da
式中，光斑投影的长轴直径为Da＝2ω0/cosθ，短轴直径为Db＝2ω0，ω0为束腰半径，f表示激光频率。
进一步地，步骤三中，X方向的线位移量由以下公式求得：
ΔX＝λd×Db；
Y方向的线位移量由以下公式求得：
ΔY＝λd×Da；
其中：λd表示线重叠率，光斑投影的长轴直径为Da＝2ω0/cosθ，短轴直径为Db＝2ω0，ω0为束腰半径。
进一步地，线重叠率标准在30％-80％。
进一步地，所述步骤四中，所需直线扫描次数P计算公式为：
P＝(L-DX)/ΔY+1，
完成一次面扫描的时间T为：
T＝(W/VX)×P+(P-1)×(ΔY/VY)，
其中，L为加工矩形面的长，W为加工矩形面的宽。
进一步地，步骤五中，选定的Z轴进给量ΔZ，其评价指标主要以加工效率和加工深度H趋于稳定为选择标准，且受线重叠率、烧蚀深度的影响，其进给量ΔZ应满足ΔZ＝Hac，Hac为加工深度H随着定焦扫描次数N增加逐渐趋于稳定的深度。
进一步地，进给次数S计算公式为：
S＝d/(cosθ×ΔZ)。
进一步地，倾角θ的范围0°至90°，满足热端构件上任意倾角矩形孔的加工，当0°时为平面矩形孔，激光束垂直照射到工件表面。
进一步地，所述的难加工材料包括高性能合金、镍基高温合金、单晶镍基、陶瓷材料、颗粒增强金属基复合材料、纤维增陶瓷基复合材料。
本发明具有以下优点：
1、本方法提供了一种新颖的加工倾斜矩形孔的研究方法，研究过程以“点-线-面”层层递进的思路，系统地建立了超快激光加工矩形斜孔的加工参数确定方法，实现不同倾角的矩形孔加工，弥补了国内对于复杂异形孔加工的空白。解决相较于传统方法的加工的缺点，并在此基础上同时兼顾了高质高效的加工，降低了生产成本。
2、本方法实现了将激光加工中各阶段试验参数进行耦合，并进一步给出了每一步试验的数据模型，在实际加工中可参考相关模型就能快速找到所需数据，解决了传统加工以“经验”为主的模式，减少了试加工时间，降低了生产成本，极大提高了产品的工业化生产。
3、本方法基于超快激光烧蚀原理对此进行研究，因此本方法具有普适性，也可适用于其他复杂异型孔的研究。本方法操作简单便捷，在满足加工质量的前提下，实现最大效率的加工，为难加工材料的复合加工提供了一种有效方案。
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为本发明实施中提供一种超快激光加工矩形斜孔的方法流程图；
图2为本发明实施中超快激光加工平台示意图；
图3为本发明实施中激光光斑投影在与水平面θ角度的示意图；
图4为本发明实施中X、Y方向划槽试验示意图；
图5为本发明实施中X、Y方向不同光斑重叠率划槽试验示意图；
图6为本发明实施中线扫描试验烧蚀结轮廓的影响规律示意图；
(a)不同脉冲能量E跟烧蚀宽度D变化关系图
(b)不同脉冲能量E跟烧蚀深度H变化关系图
(c)不同光斑重叠率Rs跟线残留率η变化规律图
图7为本发明实施中线重叠率λd试验示意图。
(a)不同线重叠率λd的区域示意图
(b)线重叠率试验侧视剖面图
(c)不同线重叠率跟多线残留率β变化关系示意图
图8为本发明实施中面扫描试验示意图：
图9为本发明实施中面扫描试验加工深度示意图
(a)定焦扫描次数N与加工深度Hac示意图
(b)定焦扫描次数N与加工深度H变化规律图
图10为本发明实施中通孔加工实验示意图
图11为本发明实施中面扫描试验不同轨迹示意图：
图中：1.超快激光器、2.振镜系统、3.CCD摄像机、4.二向色镜、5.激光传输单元、6.工件、7.工作台、8.多轴控制器、9.控制系统、601.X轴向划槽试验光斑投影、602.Y轴向划槽试验光斑投影、603.面扫描试验激光轨迹。
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2所示，本发明是基于如下装置实现的，加工平台包括超快激光器1、振镜系统2、CCD摄像机3、二向色镜4、激光传输单元5、多轴控制器8、控制系统9、工件6、工作台7、多轴控制器8、控制系统9等，所述控制系统通过多轴控制器与工作台相连，所述工件设置在工作台上，所述控制系统与超快激光器相连，所述超快激光器通过振镜系统后通过二向色镜反射到激光传输单元上，所述CCD摄像机通过二向色镜拍摄其下方的工件的状态。超快激光器、振镜模组及多轴控制器，均由控制系统进行控制，定位精度最高可达到5μm，满足矩形孔的加工要求。
如图1所示，一种超快激光加工矩形斜孔的方法流程图该加工方法流程包括下列步骤：
步骤一：使用夹具将待加工工件101安装在工作台102上面，调节工件与工作台面之间的角度θ至所需要角度，固定并夹紧；调节激光器射出的激光束与工件的相对位置，利用CCD相机3定位光斑成像位置。
步骤二；开启激光器1、控制系统9、控制多轴控制器8、振镜模组2，进行X轴、Y轴单线划槽试验，X轴方向平行于工作台平面，Y轴方向平行于工件平面，且与工作台面夹角为θ。通过不同的脉冲能量E,光斑重叠率的单因素试验得到烧蚀轮廓随超快激光加工参数的变化规律，得到烧蚀轮廓随超快激光加工参数的变化规律，根据烧蚀表面质量、线残留率η(η<5％)等相关评价指标，确定合适的脉冲能量E、X方向光斑重叠率Rs、Y方向光斑重叠率RP，X、Y方向最佳VX、VY扫描速度等激光加工参数；
步骤三：进行不同线重叠率λd试验，观察不同激光参数对烧蚀结轮廓的影响规律，通过加工效率和多线残留率β等相关评价指标选取合适的线重叠率λd；
步骤四：利用步骤二单线划槽试验和步骤三线重叠率λd试验选取的加工参数，进行不同类型扫描轨迹的面扫描试验，根据加工质量和加工效率确定合适的单层扫描轨迹；
步骤五：进行定焦N次面扫描试验，确定加工深度H随扫描次数N的变化规律，确定合适的定焦扫描次数Nc和进给量ΔZ。
步骤六：根据以上步骤所选定参数进行通孔实验，根据通孔质量、孔壁锥度等相关评价指标，返回步骤二、步骤三、步骤五对参数适当调整，直至加工出符合要求的通孔，确定不同参数下的进给次数S；步骤六中设计了三个等级(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的参考指标，其Ⅰ级为最优先考虑因素，Ⅱ级为次级考虑因素，Ⅲ为最后考虑因素。
步骤七；关闭超快激光器1、控制系统9、完成加工，将工件6从工作台7卸下，对工件进行清理。
如图3所示为激光光斑投影在与水平面θ角度的示意图。由于工件与工作台角度θ，在水平面为圆形的激光光斑投影在工件上可近似于椭圆的光斑。
如图4所示为X、Y方向划槽试验示意图，在笛卡尔坐标系中，图(a)表示光斑扫描速度VX沿着X方向移动且X方向划槽试验光斑投影601重叠区域是以椭圆短轴部分重叠。图(b)表示光斑扫描速度VY沿着Y方向移动，Y方向平行于工件且与工作台成θ。Y方向划槽试验光斑投影602区域是以椭圆长轴部分重叠。
如图5所示为X、Y方向划槽试验不同光斑重叠率示意图，DX、DY分别为X、Y方向扫描的烧蚀道宽。其图(a)为移动方向为X时不同光斑重叠率RS(Rsl>Rsm>Rsh)示意图，图(b)为移动方向为Y时不同光斑重叠率RP(Rsl>Rsm>Rsh)示意图。其中RS＝(Db-VX/f)/Db)、RP＝(Da-VY/f)/Da)。
如图6所示线扫描试验烧蚀结轮廓的影响规律示意图，在线扫描试验中应结合图(a)图(b)图(c)的参数的变化趋势，烧蚀宽度D(Dh>Dm>D1)和烧蚀深度H(Hh>Hm>H1)均是随着脉冲能量E增大而增大，线残留率η是随着光斑重叠率Rs增大而减小。通过3D共聚焦显微镜观查观察凹槽加工质量和加工效率，在低烧蚀宽度D1和高烧蚀宽度Dh，低烧蚀深度H1高烧蚀深度Hh之间选择合适Hm、Dm，进一步优选出合适的脉冲能量E、RS。
如图7(a)所示为不同线重叠率λd(λdh>λdl)试验示意图，当以VX为光斑扫描速度时，其线重叠率计算公式为λd＝(ΔY/Da)×100％，其中ΔY＝λd×Da，当以VY为光斑扫描速度时计算同理。线重叠率主要影响加工效率，当在试验中可观察不同参数对烧蚀结构影响规律，通过加工效率和多线残留率相关评价指标选取合适的线重叠率。根据实际加工经验，线重叠率在30％-80％其质量和效率达到最优值；在线重叠率试验侧视剖面图(b)中hL为烧蚀深度，hLr为残留高度，图(c)多线残留率β(βdl>βdh)随着线重叠率λd(λdh>λdl)增大而减小，步骤二中的线残留率η与多线残留率β计算方法同理，在实际加工中根据需要选出最优值。
如图8所示面扫描试验示意图，激光从扫描轨迹为603，加工出一个长为L宽为W的矩形面，其中每条扫描线的间距为ΔY，扫描线的次数P计算公式为P＝(L-DX)/ΔY+1，完成一次面扫描的时间T为T＝(W/VX)×P+(P-1)×(ΔY/VY)。
本实施例中，所提到的加工效率可近似于加工时间，扫描时间T可看做加工效率的一类参考量，时间越短加工效率越高。
如图9所示面扫描试验加工深度变化规律示意图(b)加工深度H随着定焦扫描次数N增加逐渐趋于稳定，在实际加工中应选择稳定的Hac对应的Nc作为定焦扫描次数。
如图10中d为工件厚度，ΔZ表示定焦扫描N次后光斑沿Z轴进给量，且满足关ΔZ＝Hac，S表示激光所需沿Z轴进给次数，其表达式为S＝d/(cosθ×ΔZ)。
如图11为面扫描试验不同轨迹示意图，具体研究方法与本发明一致，仅轨迹不同而已。具体地，所述步骤六中面扫描轨迹包括但不限于本专利中的所展示的轨迹，还包括一字形、S形、#形、回字形以及螺旋形等多种轨迹。
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)

1.一种超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：使用夹具将待加工工件安装在工作台上面，调节工件与工作台面之间所需要角度θ，固定并夹紧；调节激光器射出的激光束与工件的相对位置，利用CCD相机定位光斑成像位置；
步骤二：进行X轴、Y轴单线划槽试验，X轴方向平行于工作台平面，Y轴方向平行于工件平面，且与工作台面夹角为θ，通过不同的脉冲能量E,光斑重叠率的单因素试验得到烧蚀轮廓随超快激光加工参数的变化规律，根据烧蚀表面质量、线残留率η作为评判标准，确定包括脉冲能量E、X方向光斑重叠率Rs，Y方向光斑重叠率RP，X、Y方向烧蚀宽度DX、DY，最佳X、Y方向扫描速度VX、VY在内的激光加工参数；
步骤三：进行不同线重叠率λd试验，观察不同激光参数对烧蚀结轮廓的影响规律，通过加工效率和多线残留率β作为评判标准，评价指标选取合适的线重叠率λd和X、Y方向的线位移量ΔX、ΔY；
步骤四：利用步骤二单线划槽试验和步骤三线重叠率λd试验选取的加工参数，进行不同类型扫描轨迹的面扫描试验，根据加工质量和加工效率确定合适的单层扫描轨迹；
步骤五：进行定焦N次面扫描试验，确定加工深度H随扫描次数N的变化规律，确定合适的定焦扫描次数Nc和进给量ΔZ；
步骤六：根据以上步骤所选定参数进行通孔实验，根据通孔质量、孔壁锥度的相关评价指标，返回步骤二、步骤三、步骤五对参数进行调整，直至加工出符合要求的通孔，确定不同参数下的进给次数S；
步骤七：完成加工，将工件从工作台卸下，对工件进行清理。
2.根据权利要求1所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，所述激光器包括超快脉冲激光器，具体包括皮秒激光和飞秒激光，其脉宽范围为5fs-10ps。
3.根据权利要求1所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，步骤二中，X方向光斑重叠率通过如下公式求得：
Rs＝(Db-VX/f)/Db；
Y方向光斑重叠率通过如下公式求得：
RP＝(Da-VY/f)/Da
式中，光斑投影的长轴直径为Da＝2ω0/cosθ，短轴直径为Db＝2ω0，ω0为束腰半径，f表示激光频率。
4.根据权利要求3所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，步骤三中，X方向的线位移量由以下公式求得：
ΔX＝λd×Db；
Y方向的线位移量由以下公式求得：
ΔY＝λd×Da；
其中：λd表示线重叠率，光斑投影的长轴直径为Da＝2ω0/cosθ，短轴直径为Db＝2ω0，ω0为束腰半径。
5.根据权利要求4所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，线重叠率标准在30％-80％。
6.根据权利要求4所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，所述步骤四中，所需直线扫描次数P计算公式为：
P＝(L-DX)/ΔY+1，
完成一次面扫描的时间T为：
T＝(W/VX)×P+(P-1)×(ΔY/VY)，
其中，L为加工矩形面的长，W为加工矩形面的宽。
7.根据权利要求6所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，步骤五中，选定的Z轴进给量ΔZ，其评价指标主要以加工效率和加工深度H趋于稳定为选择标准，且受线重叠率、烧蚀深度的影响，其进给量ΔZ应满足ΔZ＝Hac，Hac为加工深度H随着定焦扫描次数N增加逐渐趋于稳定的深度。
8.根据权利要求7所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，进给次数S计算公式为：
S＝d/(cosθ×ΔZ)。
9.根据权利要求1所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，倾角θ的范围0°至90°，满足热端构件上任意倾角矩形孔的加工，当0°时为平面矩形孔，激光束垂直照射到工件表面。
10.根据权利要求1所述的超快激光加工矩形斜孔的方法，其特征在于，所述的难加工材料包括高性能合金、镍基高温合金、单晶镍基、陶瓷材料、颗粒增强金属基复合材料、纤维增陶瓷基复合材料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116174946A (zh) * 2023-04-20 2023-05-30 西北工业大学 一类具有复杂扩张口的异型气膜孔的飞秒激光加工方法

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