《一种脉冲激光穿孔装置及其穿孔方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种脉冲激光穿孔装置及其穿孔方法.pdf（6页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102962589 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102962589 A *CN102962589A* (21)申请号 201210493519.9 (22)申请日 2012.11.28 B23K 26/38(2006.01) B23K 26/04(2006.01) (71)申请人 江苏金方圆数控机床有限公司 地址 225127 江苏省扬州市邗江工业园银柏 路 19 号 (72)发明人 陈树明 夏建斌 张永康 顾永玉 戴峰泽 (74)专利代理机构 南京苏科专利代理有限责任 公司 32102 代理人 董旭东 (54) 发明名称 一种脉冲激光穿孔装置。
2、及其穿孔方法 (57) 摘要 本发明公开了激光穿孔装置领域内的一种脉 冲激光穿孔装置及其穿孔方法， 该装置包括激光 发生器， 所述激光发生器的光路上依次设置有超 脉冲转换器、 汇聚透镜组以及夹具， 所述激光发生 器的信号输入端经激光发生器控制装置与数控箱 的信号输出端相连， 所述超脉冲转换器的信号输 入端经超脉冲转换器控制装置于数控箱的信号输 出端相连， 所述数控箱与计算机相连 ； 该穿孔方 法是利用若干个功率密度值呈递增趋势的短脉冲 激光束， 通过汇聚透镜组聚焦成为一个激光焦点， 并辐照工件表面， 进行穿孔 ； 本发明提高了孔加 工的形状精度并保证孔的加工质量， 可用于激光 穿孔中。 (51。
3、)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种脉冲激光穿孔装置， 其特征在于， 包括激光发生器， 所述激光发生器的光路上 依次设置有超脉冲转换器、 汇聚透镜组以及夹具， 所述激光发生器的信号输入端经激光发 生器控制装置与数控箱的信号输出端相连， 所述超脉冲转换器的信号输入端经超脉冲转换 器控制装置于数控箱的信号输出端相连， 所述数控箱与计算机相连。 2. 根据权利要求 1 所述的一种脉冲激光穿孔装置， 其特征在于， 所述超脉冲转换器与 汇。
4、聚透镜组之间的光路上设置有气压变焦反射镜， 所述气压变焦反射镜经气压阀控制装置 控制， 所述气压阀控制装置的信号输入端与控制箱的信号输出端相连。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种脉冲激光穿孔装置， 其特征在于， 所述夹具固定安 装在数控工作台上， 所述数控工作台的信号输入端经工作台控制装置与数控箱的信号输出 端相连。 4. 一种使用权利要求 1 或 2 所述的脉冲激光穿孔装置穿孔方法， 其特征在于， 利用若 干个高强度短脉冲激光束， 通过汇聚透镜组聚焦成为一个激光焦点， 并辐照工件表面 ； 先用 峰值功率密度小于激光诱导冲击波阀值功率密度的脉冲激光辐照工件表面， 此时工件表面 起烧蚀。
5、作用， 熔化形成熔池， 再调节脉冲激光的峰值功率密度使其大于激光诱导冲击波阀 值功率密度， 此时辐照在工件表面的脉冲激光使所述熔池内的熔液急剧气化、 离化形成冲 击波， 在冲击波作用下工件材料的气化物携带工件熔液快速冲出熔池， 从而在工件表面上 产生一定深度的凹坑， 脉冲激光结束后凹坑周围的材料快速冷却 ； 下一个脉冲激光继续辐 照工件凹坑， 使得凹坑深度增加， 直至形成穿孔。 5. 根据权利要求 4 所述的一种脉冲激光穿孔方法， 其特征在于， 所述脉冲激光数为 502000 个。 6. 根据权利要求 4 所述的一种脉冲激光穿孔方法， 其特征在于， 所述激光脉冲的峰值 功率密度值从第一个脉冲至。
6、形成穿孔呈递增趋势。 7. 根据权利要求 4 所述的一种脉冲激光穿孔方法， 其特征在于， 所述工件表面起烧蚀 作用处于前五个脉冲之内。 8. 根据权利要求 4 所述的一种脉冲激光穿孔方法， 其特征在于， 所述激光脉冲的频率 为 80120Hz。 9. 根据权利要求 4 所述的一种脉冲激光穿孔方法， 其特征在于， 所述激光脉冲的占空 比为 20-30%。 权 利 要 求 书 CN 102962589 A 2 1/3 页 3 一种脉冲激光穿孔装置及其穿孔方法 技术领域 0001 本发明涉及一种穿孔装置， 特别涉及一种激光穿孔装置。 背景技术 0002 常规激光穿孔技术采用连续激光束对工件进行烧蚀使。
7、工件融穿形成工艺孔。其 不足之处在于 ： 利用连续激光束进行孔加工因材料连续溶化， 工件熔液不断向基体材料传 热， 在工件表面熔池直径远大于光斑直径， 而熔池底部的熔池直径与光斑直径接近， 因此形 成的孔往往呈现锥形， 孔的形状精度不易控制 ； 同时因工件连续受热， 孔壁材料受热影响较 大 ； 另外， 因金属气化物的压力影响， 金属熔液容易在孔两端堆积， 冷却后形成凸起， 影响工 件的加工质量， 因此常需后续加工才能保证工件质量。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种脉冲激光穿孔装置及其穿孔方法， 解决了现有技术中的 不足， 提高孔加工的形状精度并保证孔的加工质量。 0004 本发明的目。
8、的是这样实现的 ： 一种脉冲激光穿孔装置及其穿孔方法， 所述装置包 括激光发生器， 所述激光发生器的光路上依次设置有超脉冲转换器、 汇聚透镜组以及夹具， 所述激光发生器的信号输入端经激光发生器控制装置与数控箱的信号输出端相连， 所述超 脉冲转换器的信号输入端经超脉冲转换器控制装置于数控箱的信号输出端相连， 所述数控 箱与计算机相连 ； 所述穿孔方法是利用若干个高强度短脉冲激光束， 通过汇聚透镜组聚焦 成为一个激光焦点， 并辐照工件表面 ； 先用峰值功率密度小于激光诱导冲击波阀值功率密 度的脉冲激光辐照工件表面， 此时工件表面起烧蚀作用， 熔化形成熔池， 再调节脉冲激光的 峰值功率密度使其大于激。
9、光诱导冲击波阀值功率密度， 此时辐照在工件表面的脉冲激光使 所述熔池内的熔液急剧气化、 离化形成冲击波， 在冲击波作用下工件材料的气化物携带工 件熔液快速冲出熔池， 从而在工件表面上产生一定深度的凹坑， 脉冲激光结束后凹坑周围 的材料快速冷却 ； 下一个脉冲激光继续辐照工件凹坑， 使得凹坑深度增加， 直至形成穿孔。 0005 作为本发明的进一步限定， 所述脉冲激光数为 502000 个。 0006 作为本发明的进一步限定， 所述激光脉冲的峰值功率密度值从第一个脉冲至形成 穿孔呈递增趋势。 0007 作为本发明的进一步限定， 所述工件表面起烧蚀效果处于前五个脉冲之内。 0008 作为本发明的进一。
10、步限定， 所述激光脉冲的频率为 80120Hz。 0009 作为本发明的进一步限定， 所述激光脉冲的占空比为 20-30%。 0010 本发明工作时， 激光发生器发出长脉冲激光束， 经超脉冲转换器转换成短脉冲激 光束， 再经汇聚透镜组聚焦成一个焦点辐照工件表面， 进行工件的穿孔加工， 工作过程中， 计算机发出控制指令给数控箱， 数控箱分别通过各控制装置控制相应仪器工作。与现有技 术相比， 本发明的有益效果在于 ： 本发明采用脉冲激光束穿孔， 通过控制激光脉冲的占空比 可以控制工件基体材料的最高温度从而减小工件基体热影响区的范围 ； 由于每一个孔都是 说 明 书 CN 102962589 A 3。
11、 2/3 页 4 由若干个脉冲激光逐层加工形成的， 因此不会形成连续激光穿孔时产生的锥孔现象， 孔的 形状精度得到保证 ； 再在脉冲激光作用过程中利用冲击波将工件熔液从孔中高速带出， 工 件熔液不会在孔两端汇集形成凸起， 不需要后续加工。并且通过先用低峰值功率密度的脉 冲激光加热溶化再用高峰值功率密度的脉冲激光冲孔的方法， 使得工件溶液急剧气化、 离 化从凹坑内冲出， 形成光滑的孔口， 消除了直接使用高峰值功率密度的脉冲激光直接辐照 工件表面时引起的工件穿孔表面喷渣太多的问题。本发明可用于激光穿孔中。 0011 为了提高穿孔的精度， 所述超脉冲转换器与汇聚透镜组之间的光路上设置有气压 变焦反射。
12、镜， 所述气压变焦反射镜经气压阀控制装置控制， 所述气压阀控制装置的信号输 入端与控制箱的信号输出端相连。 通过调节气压变焦反射镜调节照射在工件表面的脉冲激 光的焦点， 使其随着穿孔的深度增加而变化， 从而确保高能量的脉冲激光照射在孔内。 0012 为了使得穿孔更加方便， 所述夹具固定安装在数控工作台上， 所述数控工作台的 信号输入端经工作台控制装置与数控箱的信号输出端相连。当穿完一个孔后， 通过调节工 作台换个工位继续进行穿孔。 附图说明 0013 图 1 为本发明的结构示意图。 0014 其中， 1激光发生器控制装置， 2激光发生器， 3长脉冲激光束， 4超脉冲转换器， 5短 脉冲激光束，。
13、 6 汇聚透镜组， 7 汇聚激光束， 8 工件， 9 夹具， 10 数控工作台， 11 工作台控制装 置， 12 计算机， 13 数控箱， 14 超脉冲转换器控制装置， 15 气压变焦反射镜， 16 气压控制阀控 制装置， 17 气压控制阀。 具体实施方式 0015 如图 1 所示的一种脉冲激光穿孔装置及其穿孔方法， 该装置包括激光发生器， 激 光发生器的光路上依次设置有超脉冲转换器、 气压变焦反射镜、 汇聚透镜组以及夹具， 激光 发生器的信号输入端经激光发生器控制装置与数控箱的信号输出端相连， 气压变焦反射镜 经气压阀控制装置控制， 气压阀控制装置的信号输入端与控制箱的信号输出端相连， 超脉。
14、 冲转换器的信号输入端经超脉冲转换器控制装置于数控箱的信号输出端相连， 夹具固定安 装在数控工作台上， 数控工作台的信号输入端经工作台控制装置与数控箱的信号输出端相 连， 数控箱与计算机相连 ； 该方法包括以下步骤 ： 1） 将工件 8 安装在夹具 9 上 ； 2） 计算机 12 发出控制指令给数控箱 13， 数控箱 13 接受计算机 12 的指令后控制通过 工作台控制装置 11 控制数控工作台 10 移动， 使激光束焦点位于工件 8 上待加工孔的中心 ； 3） 计算机 12 发出指令给激光发生器控制装置 1， 激光发生器控制装置 1 接受计算机 12 的指令后控制激光发生器 2 按照激光功率。
15、密度呈递增趋势和工艺要求的脉冲宽度产生一 个长脉冲激光束 3 此长脉冲激光束 3 发射给超脉冲转换器 4 ； 4） 计算机 12 在向激光发生器控制装置 1 发出指令的同时向超脉冲转换器控制装置 14 发出控制指令， 超脉冲转换器控制装置14接受计算机指令后控制超脉冲转换器4将一个长 脉冲激光束 3 转换成占空比为 20-30%、 频率为 80120Hz 的若干个短脉冲激光束 5 ； 说 明 书 CN 102962589 A 4 3/3 页 5 5） 短脉冲激光束 5 经气压变焦反射镜 15 后， 通过汇聚透镜组 6 形成激光功率密度极高 的汇聚激光束 ； 6） 汇聚激光束 7 辐照工件 8 。
16、表面， 在激光功率密度小于激光诱导冲击波的功率密度阈 值使激光束使工件 8 表面材料融化形成熔池， 当汇聚激光束的功率密度超过激光诱导冲击 波的功率密度阈值后工件 8 熔液急剧气化、 离化形成冲击波， 工件气化物在冲击波压力作 用下携带工件熔液从熔池中冲出， 所述工件表面起烧蚀效果处于前五个脉冲之内 ； 7） 当前短脉冲激光束作用结束后， 工件 8 表面的熔池及其周围材料冷却， 形成一定深 度的凹坑凹坑深度由短脉冲激光束的功率密度、 脉冲宽度决定 ； 8） 当接下来的短脉冲激光束 5 到来时， 经汇聚透镜组 6 汇聚后的汇聚激光束 7 辐照第 一个汇聚激光束 7 作用形成的凹坑底部的材料， 高。
17、能量的脉冲激光使凹坑底部材料融化、 气化、 离化并由气化物带出凹坑中 ； 9） 经后续多个短脉冲激光束 5 的反复作用， 凹坑深度逐渐增加， 直至工件穿透形成工 艺孔， 所述脉冲激光数为 502000 个 ； 10） 随着孔深的增加， 数控箱 13 控制气压控制阀 17 调节进气压力， 改变气压变焦反射 镜 15 的曲率， 从而调节激光束的焦点位置， 使焦点位置适应加工工艺的要求 ； 11） 当第一个长脉冲激光束 3 作用结束后即第一个孔加工完成， 计算机 12 发出指令给 数控箱 13， 数控箱 13 接受计算机 12 的指令后通过工作台控制装置 11 控制数控工作台 10 使激光束焦点位于。
18、工件 8 上第二个待加工孔的中心位置 ； 12） 重复步骤 3 至 9 直至工件上所有孔加工完成。 0016 采用本发明的激光穿孔装置和方法， 每一个孔都是由若干个短脉冲激光束逐层加 工完成， 在相邻的两个短脉冲激光束之间有一定时间间隔， 使工件基体材料得以冷却， 通过 调整短脉冲激光脉冲的占空比可以调节基体材料的激光辐照时间和冷却时间， 从而使基体 材料的温升得到控制， 有效减小基体材料受激光脉冲的热影响作用， 保证基体材料的原始 机械性能 ； 并且采用本发明的激光穿孔方法， 工件材料逐层融化， 熔池深度很小， 不会形成 锥孔。 0017 另外， 而本发明的穿孔方法中汇聚激光脉冲的峰值功率密度大于激光诱导冲击波 的阈值功率密度， 在熔池形成后产生冲击波， 气化物在冲击波的作用下携带熔池熔液从孔 中高速冲出， 不会在孔的外端积聚形成凸起， 减少了工件的后续加工， 并极大提高了孔的精 度。 0018 本发明并不局限于上述实施例， 在本发明公开的技术方案的基础上， 本领域的技 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的一些技术特征作出一 些替换和变形， 这些替换和变形均在本发明的保护范围内。 说 明 书 CN 102962589 A 5 1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102962589 A 6 。