CN117943681A - 一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统及方法，高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，用于对工件的非接触加工，所述复合加工系统包括：高功率激光设备，用于提供高功率激光，对所述工件进行初加工以得到中间工件；超短脉冲激光设备，用于提供超短脉冲激光，并针对所述中间工件，利用所述超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。复合加工系统充分发挥高功率激光和超短脉冲激光的优势，实现对工件的高效、精密加工，从而提高加工效率和加工质量，满足市场对难加工材料工件的高效、精密加工需求。

Description

一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统及方法

技术领域

本申请涉及激光加工方法领域，尤其涉及一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统及方法。

背景技术

以硬脆材料为代表的高性能难加工材料在航空航天、能源动力、半导体等领域应用广泛。目前，硬脆材料常规激光抛光属于非接触式加工，无切削力作用，且加工过程中可以实现机械运动与振镜高速扫描相结合的高速加工，是一种有效的高精度加工方法，但激光加工精度、表面质量存在一定的工艺极限，且加工精度与效率存在交互制约关系。

可以采用高能量密度提高材料去除率，但同时热量累积易产生热影响区、重铸层，导致材料发生损伤，加工表面质量、精度的提升存在困难，难以实现高质量加工；当采用匹配与材料损伤阈值的激光能量密度加工时，结合工艺优化，一定程度上可以控制表面加工精度、质量在理想状态，但材料去除率的提升受到明显限制，无法实现高效加工。

基于此，本申请提供了高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统及方法。

发明内容

本申请的目的是满足对难加工材料工件的高效、精密加工的需求，提供了一种实现高效高完整性复合加工的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统及方法。

为了实现上述目的，本申请采用了如下技术方案：

第一方面，本申请提供了一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，用于对工件的非接触加工，所述复合加工系统包括：

高功率激光设备，用于提供高功率激光，对所述工件进行初加工以得到中间工件；

超短脉冲激光设备，用于提供超短脉冲激光，并针对所述中间工件，利用所述超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。

在一些可能的实现方式中，所述用于材料加工的超短脉冲激光是利用激光能量密度调控后得到的；

或，所述用于材料加工的超短脉冲激光是对预设工艺参数进行调控后得到的，所述预设工艺参数包括激光能量密度，优化运动轨迹、运动速度、扫描间距、离焦量、功率和频率中的一种或多种。

在一些可能的实现方式中，所述超短脉冲激光是以飞秒激光为代表的超快激光。

在一些可能的实现方式中，所述高功率激光设备包括：

激光器，用于提供至少两束激光束；

光束耦合模块，用于将多个独立的激光束进行合束；

旋转自由度施加模块，用于对合束后的激光束施加旋转自由度，得到所述高功率激光；

其中，所述高功率激光包括中心激光束以及绕所述中心激光器旋转的旁侧激光束，所述中心激光束和所述旁侧激光束在所述工件表面耦合形成高功率调制激光。

在一些可能的实现方式中，还包括：

辅助设备，所述辅助设备用于向所述加工区域涂覆液体膜；和/或，用于向加工区域喷射冷却液体。

第二方面，本申请还提供了一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，用于对工件的非接触加工，所述复合加工方法包括：

S101，提供高功率激光，对工件进行初加工以得到中间工件；

S102，针对所述中间工件，通过超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。

在一些可能的实现方式中，所述针对所述中间工件，通过超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件，包括：

对所述超短脉冲激光进行预处理；

使用预处理后的超短脉冲激光，对所述中间工件进行二次复合抛光，得到目标工件；

其中，对所述超短脉冲激光进行预处理，包括：

对所述超短脉冲激光进行激光能量密度调控，得到预处理后的超短脉冲激光；或，

根据预设工艺参数对所述超短脉冲激光加工进行调控，得到预处理后的超短脉冲激光，所述预设工艺参数包括激光能量密度、优化运动轨迹、运动速度、扫描间距、离焦量、功率和频率中的一种或多种。

在一些可能的实现方式中，所述方法还包括：

在对工件进行初加工的过程中，向所述加工区域涂覆液体膜；和/或，

在对工件进行初加工的过程中，向加工区域喷射冷却液体。

在一些可能的实现方式中，所述高功率激光是高功率激光纳秒激光，所述高功率激光纳秒激光是通过激光合束技术得到的。

在一些可能的实现方式中，所述提供高功率激光，对工件进行初加工以得到中间工件，包括：

对所述高功率激光进行二次耦合，产生可调控能量域；

对所述可调控能量域施加旋转自由度，得到旋转式耦合激光能量域并作用于工件表面，以得到中间工件。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

结合了高功率调制激光和超短脉冲激光两种加工方式，以实现对工件的非接触加工。高功率激光设备用于提供高功率激光，对工件进行初加工。高功率调制激光可以快速加热和去除材料表面，实现粗加工或去除大量材料，从而形成中间工件。超短脉冲激光设备用于对中间工件进行二次加工。超短脉冲激光的特点是脉冲宽度极短，峰值功率极高，能量密度大，可以实现非常精细的加工。利用超短脉冲激光对中间工件进行二次复合抛光，即去除残留的瑕疵、粗糙表面，从而得到目标工件。

由此，通过高功率调制激光进行初加工，可以迅速去除大量材料，提高加工效率，同时利用超短脉冲激光实现对工件表面的精细加工，提高加工精度和表面质量；由于高功率激光和超短脉冲激光分别负责初加工和精细加工，充分利用不同激光的特性，兼顾了加工效率和质量。

综上所述，上述复合加工系统能够充分发挥高功率激光和超短脉冲激光的优势，实现对工件的高效、精密加工，从而提高加工效率和加工质量，满足了市场对难加工材料工件的高效、精密加工的需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。

图1是本申请提出的一种高功率旋转式耦合激光示意图；

图2是本申请提出的一种高功率旋转式耦合激光加工示意图；

图3是本申请提出的另一种高功率旋转式耦合激光加工示意图；

图4是本申请提出的一种超短脉冲激光的工件表面加工示意图；

图5是本申请提出的一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工工艺策略的示意图；

图6是本申请提出的一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

相关技术中，以公开号CN201910454010.5所公开的一种多光束耦合激光加工系统及方法为例，提出了将光束耦合交叉来形成加工能量域，且指出所述第一激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值，实现提高加工分辨率的目的。

基于此，在此发明基础上，为实现以光子能量转换去除材料的全激光高效高质量加工，发挥高功率激光高效加工(如百瓦级以上纳秒激光)、超短脉冲激光高精度加工(如脉宽极窄、峰值功率极高的飞秒激光)等工艺方法的优势，申请人重组各类激光工艺在材料去除过程中的能量利用特性，为实现高效精密高完整性复合加工，提出了高功率旋转式耦合纳秒激光与超短脉冲激光复合的加工方法。

本申请的主要目的在于提供一种高功率激光与超短脉冲激光复合加工方法，进而克服现有技术中的不足。

实施例1

本申请实施例提供了一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，用于对工件的非接触加工，所述复合加工系统包括：

高功率激光设备，用于提供高功率激光，对所述工件进行初加工以得到中间工件；

超短脉冲激光设备，用于提供超短脉冲激光，并针对所述中间工件，利用所述超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。

本实施例提供了一种用于高效、精密加工的复合加工系统，结合了高功率激光和超短脉冲激光两种加工方式，以实现对工件的非接触加工。高功率激光设备用于提供高功率激光，对工件进行初加工。高功率激光可以快速加热和去除材料表面，实现粗加工或去除大量材料，从而形成中间工件。超短脉冲激光设备用于对中间工件进行二次加工。超短脉冲激光的特点是脉冲宽度极短，峰值功率极高，能量密度大，可以实现非常精细的加工。利用超短脉冲激光对中间工件进行二次复合抛光，即去除残留的瑕疵、粗糙表面，从而得到目标工件。

由此，通过高功率激光进行初加工，可以迅速去除大量材料，提高加工效率，同时利用超短脉冲激光实现对工件表面的精细加工，提高加工精度和表面质量；由于高功率激光和超短脉冲激光分别负责初加工和精细加工，充分利用不同激光的特性，兼顾了加工效率和质量。

综上所述，上述复合加工系统能够充分发挥高功率激光和超短脉冲激光的优势，实现对工件的高效、精密加工，从而提高加工效率和加工质量。

其中，高功率激光可以是百瓦级以上纳秒激光。本申请提及的工件可以是硬脆材料工件。

一个实施例中，所述超短脉冲激光是利用激光能量密度调控后得到的；

或，所述超短脉冲激光是对预设工艺参数进行调控后得到的，所述预设工艺参数包括激光能量密度、优化运动轨迹、运动速度、扫描间距、离焦量、功率和频率中的一种或多种。

激光能量密度可以指单位面积上激光能量的分布。通过调节光能量密度，可以控制激光在工件表面的作用强度。例如，当需要进行精细加工时，可以选择较低的光能量密度，以避免过度热量累积导致材料损伤；而在需要快速去除大量材料的情况下，可以选择较高的光能量密度。

优化运动轨迹可以指根据工件形状和加工需求，设计的合适的运动轨迹，以最大程度地覆盖工件的代加工表面。

动速度是指激光加工过程中光束在工件表面移动的速度。通过调节运动速度，可以控制激光在工件表面停留的时间，从而影响加工效率和加工质量。

扫描间距是指相邻扫描线之间的距离。通过调节扫描间距，可以控制激光照射的覆盖率和加工精度。可以认为，较小的扫描间距可以实现更高的加工精度，但可能会增加加工时间。

离焦量指的是激光焦点与工件表面之间的距离。通过调节离焦量，可以控制激光在工件表面的聚焦度，影响加工深度和加工效率。

激光的功率和频率可以匹配用户的加工要求和工件的类型，进行调整。

参照图1和图2，图1是一种高功率旋转式耦合激光示意图，图2是一种高功率旋转式耦合激光加工示意图。

一个实施例中，所述超短脉冲激光是超快激光，例如飞秒激光。

一个实施例中，所述高功率激光设备包括：

激光器，用于提供至少两束激光束；

光束耦合模块，用于将多个独立的激光束进行合束；

旋转自由度施加模块，用于对合束后的激光束施加旋转自由度，得到所述高功率激光；

其中，所述高功率激光包括中心激光束以及绕所述中心激光器旋转的旁侧激光束，所述中心激光束和所述旁侧激光束在所述工件表面耦合形成高功率调制激光。

这种情况下，本申请实施例中提及的高功率激光(高功率调制激光)可以是高功率旋转式耦合激光，本申请的部分实施例和附图也以高功率旋转式耦合激光或高功率调制激光进行举例说明。高功率旋转式耦合激光由中心激光束和绕中心激光器旋转的旁侧激光束组成。这些激光束在工件表面耦合形成旋转式耦合激光束(在束腰耦合区形成束腰耦合中心)，从而实现对工件的精确加工。高功率旋转式耦合激光的中心激光束和旁侧激光束在工件表面耦合，能够使加工过程更具精密度，有利于实现对工件的细微加工。

参见图2，在工件上方，高功率激光设备到工件表面的光路中间还设有扫描振镜，扫描振镜用于控制光束的方向和位置，以将光束定位到工件特定的区域。

其中，本申请实施例提供的激光，可以是将高功率激光纳秒或飞秒激光(或其他超短脉冲激光)通过激光合束技术实现功率升级后得到的，比如百瓦级以上纳秒激光、百瓦级飞秒激光。

作为一个示例，高功率激光例如是高功率激光纳秒激光，可通过激光合束技术实现，比如百瓦级纳秒激光。高功率激光对工件的表面加工可实现高的材料去除率。

高功率激光(如百瓦级以上纳秒激光)通过光束耦合的方式实现二次耦合，提高加工分辨率，产生可调控能量域，且对此可调控能量域施加旋转自由度，得到旋转式耦合激光能量域，提高耦合激光加工区的能量均匀性，引入新的激光与材料作用机理，区别于常规高斯激光加工时，材料中心区吸收的能量密度高于周围区域的非均匀材料去除特点，产生新的材料去除机制，有利于提高加工质量。

一个实施例中，复合加工系统还包括：

辅助设备，所述辅助设备用于向所述加工区域涂覆液体膜；和/或，用于向加工区域喷射冷却液体。

具体而言，参见图3，是以控制热损伤为目的的液流或薄霜层等附着材料表面时的另一种高功率旋转式耦合激光加工示意图。在高功率激光表面加工过程中，通过喷雾和薄雾层的设置，利用附加液流辅助或薄霜层附着等工艺要素，有效控制热影响的不利作用，在高效加工的同时，一定程度上保证加工精度和加工质量。

在高功率激光对工件表面的加工过程中，利用辅助设备向所述加工区域涂覆液体膜，或同时向加工区域喷射冷却液体，通过附加液流辅助或薄霜层附着等工艺要素，有效控制热影响的不利作用，在高效加工的同时，一定程度上保证加工精度和加工质量。

实施例2

参照图6，图6是一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法的流程示意图。

本申请实施例提供了一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，用于对工件的非接触加工。所述方法可以用于实施例1中提及的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，其具体实施例与上述实施例1中记载的实施例、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。

所述复合加工方法包括：

S101，提供高功率激光，对工件进行初加工以得到中间工件；

S102，针对所述中间工件，通过超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。

一个实施例中，所述针对所述中间工件，通过超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件，包括：

对所述超短脉冲激光进行预处理；

使用预处理后的超短脉冲激光，对所述中间工件进行二次复合抛光，得到目标工件；

其中，对所述超短脉冲激光进行预处理，包括：

对所述超短脉冲激光进行激光能量密度调控，得到预处理后的超短脉冲激光；或，

根据预设工艺参数对所述超短脉冲激光加工进行调控，得到预处理后的超短脉冲激光，所述预设工艺参数包括激光能量密度、优化运动轨迹、运动速度、扫描间距、离焦量、功率和频率中的一种或多种

作为一个示例，在高功率激光对工件表面实现高效去除后，针对中间工件的高效加工形成的表面，进行飞秒激光的二次复合抛光，通过激光能量密度的精密调控，实现高精度高质量的表面加工，保证加工表面完整性。

参见图4，图4是一种超短脉冲调制激光束的工件表面加工示意图。

作为另一个示例，在高功率激光对工件表面实现高效去除后，针对中间工件的高效加工形成的表面，采用经过光束调制的飞秒激光(比如平顶光)进行表面二次复合抛光。可以理解为平顶光具有光斑内能量强度分布均匀等特点，在工件表面材料去除过程中，光斑范围内的激光能量与材料作用更均匀，利于产生高质量表面；进一步，控制激光能量密度，优化运动轨迹、速度、扫描间距、离焦量、功率、频率等工艺参数，实现高精度高质量的表面加工，进而得到高加工表面完整性。

参见图4，工件的表面示出了高功率旋转式激光抛光表面的区域和正在被超短脉冲调制激光束加工的区域。飞秒调制激光提高了工件的加工质量。

一个实施例中，所述方法还包括：

在对工件进行初加工的过程中，向所述加工区域涂覆液体膜；

和/或，在对工件进行初加工的过程中，向加工区域喷射冷却液体。

一个实施例中，所述高功率激光是高功率激光纳秒激光，所述高功率激光纳秒激光是通过激光合束技术得到的。

一个实施例中，所述提供高功率激光，对工件进行初加工以得到中间工件，包括：

对所述高功率激光进行二次耦合，产生可调控能量域；

对所述可调控能量域施加旋转自由度，得到旋转式耦合激光能量域并作用于工件表面，以得到中间工件。

一个实施例中，高功率激光加工后形成的表面差异性，会对飞秒激光二次复合抛光效果产生重要影响。为此，建立高功率激光加工参数-高效加工成形表面特征-飞秒激光二次抛光参数-加工表面完整性之间的匹配性，通过高效加工成形表面与飞秒激光二次抛光能量吸收机制、材料去除特性分析，明确有利于产生高功率激光-超短脉冲激光复合加工高完整性表面的高效加工成形表面应具有的表面形态和物理性质，指导高功率激光加工工艺策略。

参见图5，图5是一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工工艺策略的示意图。其复合加工工艺策略例如是：

进行高功率激光抛光工艺窗口探索；包括高激光重复频率、高激光功率、单脉冲能量、光斑重叠率、离焦量、抛光次数等；

进行工件的表面检测；具体包括表面粗糙度、显微硬度、变质层、耐腐蚀性、耐磨性等；

获取抛光效果并进行工艺参数优化，优化结果反馈高功率激光抛光工艺窗口探索；

进行超短脉冲调制激光二次抛光工艺探索；包括高激光重复频率、高激光功率、单脉冲能量、光斑重叠率、离焦量、抛光次数等；

二次进行工件的表面检测；

获取抛光效果，根据抛光效果进行工艺参数优化，优化结果反馈高功率激光抛光工艺窗口探索；抛光效果具体考量表面粗糙度、显微硬度、变质层、耐腐蚀性、耐磨性等；

最终实现高功率激光与超短脉冲激光复合加工。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其申请构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于，用于对工件的非接触加工，所述复合加工系统包括：

高功率激光设备，用于提供高功率激光，对所述工件进行初加工以得到中间工件；

超短脉冲激光设备，用于提供超短脉冲激光，并针对所述中间工件，利用所述超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。

2.根据权利要求1所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于，所述超短脉冲激光是利用激光能量密度调控后得到的；

或，所述超短脉冲激光是对预设工艺参数进行调控后得到的，所述预设工艺参数包括激光能量密度、优化运动轨迹、运动速度、扫描间距、离焦量、功率和频率中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于，所述超短脉冲激光是以飞秒激光为代表的超快激光。

4.根据权利要求1所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于，所述高功率激光设备包括：

激光器，用于提供至少两束激光束；

光束耦合模块，用于将多个独立的激光束进行合束；

旋转自由度施加模块，用于对合束后的激光束施加旋转自由度，得到所述高功率激光；

其中，所述高功率激光包括中心激光束以及绕所述中心激光器旋转的旁侧激光束，所述中心激光束和所述旁侧激光束在所述工件表面耦合形成高功率调制激光。

5.根据权利要求1所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于，还包括：

辅助设备，所述辅助设备用于向所述加工区域涂覆液体膜；和/或用于向加工区域喷射冷却液体。

6.一种高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，其特征在于，用于对工件的非接触加工，所述复合加工方法包括：

S101，提供高功率激光，对工件进行初加工以得到中间工件；

S102，针对所述中间工件，通过超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件。

7.根据权利要求6所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，其特征在于，所述针对所述中间工件，通过超短脉冲激光进行二次复合抛光，得到目标工件，包括：

对所述超短脉冲激光进行预处理；

使用预处理后的超短脉冲激光，对所述中间工件进行二次复合抛光，得到目标工件；

其中，对所述超短脉冲激光进行预处理，包括：

对所述超短脉冲激光进行激光能量密度调控，得到预处理后的超短脉冲激光；或，

根据预设工艺参数对所述超短脉冲激光加工进行调控，得到预处理后的超短脉冲激光，所述预设工艺参数包括激光能量密度、优化运动轨迹、运动速度、扫描间距、离焦量、功率和频率中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，其特征在于，所述方法还包括：

在对工件进行初加工的过程中，向所述加工区域涂覆液体膜；和/或，

在对工件进行初加工的过程中，向加工区域喷射冷却液体。

9.根据权利要求6所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，其特征在于，所述高功率激光是高功率激光纳秒激光，所述高功率激光纳秒激光是通过激光合束技术得到的。

10.根据权利要求9所述的高功率激光与超短脉冲激光的复合加工方法，其特征在于，所述提供高功率激光，对工件进行初加工以得到中间工件，包括：

对所述高功率激光进行二次耦合，产生可调控能量域；

对所述可调控能量域施加旋转自由度，得到旋转式耦合激光能量域并作用于工件表面，以得到中间工件。