一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法.pdf

《一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法.pdf（7页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103418913 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103418913 A *CN103418913A* (21)申请号 201310351448.3 (22)申请日 2013.08.13 B23K 26/36(2006.01) B23K 26/04(2006.01) (71)申请人 中国航空工业集团公司北京航空制 造工程研究所 地址 100024 北京市朝阳区八里桥北东军庄 1 号 (72)发明人 张晓兵 孙瑞峰 (74)专利代理机构 北京三友知识产权代理有限 公司 11127 代理人 王春光 (54) 发明名称 一种超短脉冲激光加工小孔装置及小。

2、孔加工 方法 (57) 摘要 本发明提供了一种超短脉冲激光加工小孔装 置及小孔加工方法， 包括由上至下依次间隔设置 的扫描振镜、 激光扫描聚焦镜和楔形镜， 所述扫描 振镜、 所述激光扫描聚焦镜和所述楔形镜位于同 一中心轴上， 激光束经由所述扫描振镜围绕所述 中心轴沿同心圆轨迹旋转 ； 所述激光束通过所述 激光扫描聚焦镜聚焦 ； 所述激光束通过所述楔形 镜产生远离所述中心轴的偏折 ； 且所述楔形镜与 所述激光束同步转动， 使得透过所述楔形镜的所 述激光束保持相同的倾斜角度。本发明增加了加 工小孔深度并提高了小孔的加工质量及稳定性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图。

3、 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4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103418913 A CN 103418913 A *CN103418913A* 1/1 页 2 1. 一种超短脉冲激光加工小孔装置， 其特征在于， 所述超短脉冲激光加工小孔装置包 括由上至下依次间隔设置的扫描振镜、 激光扫描聚焦镜和楔形镜， 所述扫描振镜、 所述激光 扫描聚焦镜和所述楔形镜位于同一中心轴上， 所述扫描振镜， 激光束经由所述扫描振镜围绕所述中心轴沿同心圆轨迹旋转 ； 所述激光扫描聚焦镜， 所述激光束通过所述激光扫描聚焦镜聚焦 ； 所述激光束， 。

4、所述激光束通过所述楔形镜产生远离所述中心轴的偏折 ； 且所述楔形镜与所述激光束同步转动， 使得透过所述楔形镜的所述激光束保持相同的 倾斜角度。 2. 如权利要求 1 所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 其特征在于， 所述楔形镜与驱动 电机相连， 所述驱动电机驱动所述楔形镜转动。 3. 如权利要求 1 所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 其特征在于， 所述倾斜角度为所 述激光扫描聚焦镜的激光聚焦会聚角的一半。 4.如权利要求3所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 其特征在于， 所述倾斜角为3 5。 5. 一种小孔加工方法， 采用如权利要求 1 至 4 中任一项所述的超短脉冲激光加工小孔 装置， 其特征在。

5、于， 所述小孔加工方法包括 ： 依次经过所述超短脉冲激光加工小孔装置的扫描振镜、 激光扫描聚焦镜和楔形镜的多 束倾斜的激光束绕中心轴旋转， 该中心轴与被加工件上被加工小孔的中心轴同轴 ； 所述激光束焦点的运动轨迹为多个同心圆 ； 通过激光束在被加工件的表面加工出圆环状凹槽 ； 随被加工出的所述凹槽深度的增加， 被加工件同步上移， 被加工件上移速度等于被加 工件逐层去除的速度 ； 直至完成被加工件上小孔的加工成形。 6. 如权利要求 5 所述的小孔加工方法， 其特征在于， 在加工过程中， 所述楔形镜绕中心 轴旋转， 所述楔形镜旋转方向及速度与所述激光束沿圆周运动的轨迹同步。 权 利 要 求 书 。

6、CN 103418913 A 2 1/4 页 3 一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法 技术领域 0001 本发明涉及一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法， 该加工装置及方法 可提高超短脉冲激光加工小孔深度及质量， 主要用于航空发动机涡轮叶片气膜孔加工。属 于激光材料加工技术领域。 背景技术 0002 目前， 利用激光加工小孔的方法主要有定点冲击加工法、 旋转切割加工法和螺旋 线进给加工法。一般而言， 定点冲击法加工小孔的效率高， 通过偏焦和能量控制孔径大小， 但加工质量最差， 而旋转切割加工法加工小孔的孔径范围大， 孔径更圆， 但加工效率偏低。 上述两种方法的共同不足在于， 由于。

7、激光功率密度沿轴向在焦点两端发散， 加工的小孔通 常存在锥度的缺陷。而螺旋线切割法由于加工过程中焦点位置随加工深度逐步下移， 锥度 最小， 加工质量也最好。 0003 现有的超短脉冲激光通常指飞秒激光 （10-15s） 、 皮秒激光 （10-12s） ， 由于作用时间 短， 激光功率密度高 （超过 1012w/cm2） ， 激光去除材料的过程几乎没有热扩散， 材料去除没有 通常的热熔现象。因此， 采用超短脉冲激光可以加工孔壁没有热影响区、 再铸层、 微裂纹的 小孔。而毫秒等较长脉冲宽度激光加工小孔几乎无法避免小孔孔壁产生再铸层。 0004 但是， 由于超短脉冲激光器平均功率偏低， 脉冲能量通常。

8、仅几个毫焦或几百微焦， 而现有利用超短脉冲激光器的加工方式主要采用激光垂直入射旋切或螺旋线加工方式， 导 致加工深度有限。 在加工深度较大时， 难以实现通孔， 或者加工时间非常长， 通孔的锥度大。 其主要原因在于， 超短脉冲激光脉冲能量较小， 因此， 要达到材料去除阈值的能量密度， 激 光在与材料作用处光斑应足够小， 但由于激光聚焦特性， 焦点位置上下光束发散明显， 导致 能量密度显著下降。为此， 虽然可以采用螺旋线加工方式， 让焦点位置逐步下移， 但深度达 到一定程度后， 在入口处发散的激光束能量密度已无法保证进一步扩大入口的缝宽， 导致 激光能量不能全部进入材料内部， 去除率下降， 当加工。

9、深度进一步增大， 焦点处激光能量密 度将无法保证进一步去除材料 ； 另一个原因是， 随着深度增大， 加工过程产生的等离子体、 金属蒸汽溢出更加困难， 将严重屏蔽激光能量进入， 也导致深度越大， 材料去除率更低。由 于等离子体滞留在窄缝内会吸收大量激光能量， 易造成对孔壁尤其是入口处的热影响， 而 且由于长时间金属蒸汽只能通过入口逸出， 导致其易在孔口局部逐步沉积冷却而形成再铸 层 ； 同样不难理解， 深度较大时， 小孔锥度明显。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种能够增加加工小孔深度并提高加工质量及稳定性的超 短脉冲激光加工小孔装置。 0006 本发明的另一个目的是提供一种采用上述装置。

10、的小孔加工方法， 该方法能够增加 加工小孔深度并提高加工质量及稳定性。 0007 为达到上述目的， 本发明提出一种超短脉冲激光加工小孔装置， 包括由上至下依 说 明 书 CN 103418913 A 3 2/4 页 4 次间隔设置的扫描振镜、 激光扫描聚焦镜和楔形镜， 所述扫描振镜、 所述激光扫描聚焦镜和 所述楔形镜位于同一中心轴上， 激光束经由所述扫描振镜围绕所述中心轴沿同心圆轨迹旋 转 ； 所述激光束通过所述激光扫描聚焦镜聚焦 ； 所述激光束通过所述楔形镜产生远离所述 中心轴的偏折 ； 且所述楔形镜与所述激光束同步转动， 使得透过所述楔形镜的所述激光束 保持相同的倾斜角度。 0008 如上。

11、所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 其中， 所述楔形镜与驱动电机相连， 所述 驱动电机驱动所述楔形镜转动。 0009 如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 其中， 所述倾斜角度为所述激光扫描聚 焦镜的激光聚焦会聚角的一半。 0010 如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 其中， 其特征在于， 所述倾斜角为 3 5。 0011 本发明还提出了一种小孔加工方法， 采用如上所述的超短脉冲激光加工小孔装 置， 其中， 所述小孔加工方法包括 ： 0012 依次经过所述超短脉冲激光加工小孔装置的扫描振镜、 激光扫描聚焦镜和楔形镜 的多束倾斜的激光束绕中心轴旋转， 该中心轴与被加工件上被加工小孔的中心轴同轴 。

12、； 0013 所述激光束焦点的运动轨迹为多个同心圆 ； 0014 通过激光束在被加工件的表面加工出圆环状凹槽 ； 0015 随被加工出的所述凹槽深度的增加， 被加工件同步上移， 被加工件上移速度等于 被加工件逐层去除的速度 ； 0016 直至完成被加工件上小孔的加工成形。 0017 如上所述的小孔加工方法， 其中， 在加工过程中， 所述楔形镜绕中心轴旋转， 所述 楔形镜旋转方向及速度与所述激光束沿圆周运动的轨迹同步。 0018 与现有技术相比， 本发明具有以下特点和优点 ： 0019 1、 本发明采用激光倾斜入射， 激光焦点沿多个同心圆路径螺旋线移动加工的凹槽 开敞性好。因此， 激光焦点在向不。

13、断加深的凹槽底部移动过程中， 聚焦激光束， 尤其是同心 圆外侧的激光束由于在倾斜之后， 整个圆锥形光束最接近孔壁端部分几乎与孔壁平行， 使 得激光束基本不会被部分遮蔽， 显然可以增加加工小孔的深度， 并且倾斜作用于孔壁的激 光束也有利于减小小孔锥度。 0020 2、 另外， 开敞性的凹槽也有利于加工产生的等离子体、 金属蒸汽的逃逸， 从而尽量 避免对激光的屏蔽以及由此产生的更大热效应， 同样也易于避免金属蒸汽在孔壁及入口附 近的冷凝、 沉积， 提高了加工质量及稳定性。 附图说明 0021 在此描述的附图仅用于解释目的， 而不意图以任何方式来限制本发明公开的范 围。另外， 图中的各部件的形状和比。

14、例尺寸等仅为示意性的， 用于帮助对本发明的理解， 并 不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下， 可 以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。 0022 图 1 为本发明超短脉冲激光加工小孔装置的结构示意图 ； 0023 图 2 为本发明超短脉冲激光加工小孔装置当楔形镜转到另一边的结构示意图 ； 说 明 书 CN 103418913 A 4 3/4 页 5 0024 图 3 为本发明的激光束焦点的运动轨迹示意图 ； 0025 图 4 为本发明小孔加工方法过程中初始阶段的示意图 ； 0026 图 5 为本发明小孔加工方法过程中去除小孔深度较大时的。

15、示意图。 0027 附图标记说明 ： 0028 1- 扫描振镜 ； 2- 激光扫描聚焦镜 （f- 镜） ； 3- 楔形镜 ； 4- 旋转轴 ； 5- 激光束 ； 6- 被加工件 ； 7- 圆环状凹槽 ； 8- 激光束的焦点。 具体实施方式 0029 结合附图和本发明具体实施方式的描述， 能够更加清楚地了解本发明的细节。但 是， 在此描述的本发明的具体实施方式， 仅用于解释本发明的目的， 而不能以任何方式理解 成是对本发明的限制。在本发明的教导下， 技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变 形， 这些都应被视为属于本发明的范围。 0030 请参考图 1、 图 2， 为本发明超短脉冲激光加工小孔装。

16、置的结构示意图。如图 1、 图 2 所示， 本发明超短脉冲激光加工小孔装置， 该超短脉冲激光加工小孔装置包括由上至下依 次间隔设置的扫描振镜 1、 激光扫描聚焦镜 2（f- 镜） 和楔形镜 3， 扫描振镜 1、 激光扫描 聚焦镜 2 和楔形镜 3 位于同一中心轴 （即旋转轴 4） 上， 该旋转轴 4 即为拟加工小孔的中心 轴。扫描振镜 1 用于使激光束 5 产生沿多个同心圆轨迹运动 ； 激光扫描聚焦镜 2 用于聚焦 激光束 5 ； 楔形镜 3 用于激光束 5 发生远离中心轴的偏折， 即产生倾斜。可通过楔形镜 3 的 厚度变化， 调整激光束 5 的偏折方向和角度。激光束 5 依次经由扫描振镜 1。

17、、 激光扫描聚焦 镜 2 和楔形镜 3 入射至被加工件 6 表面， 入射激光束 5 通过扫描振镜 1 反射并围绕旋转轴 4 沿同心圆轨迹旋转， 且楔形镜 3 与激光束 5 同步转动， 使得透过楔形镜 3 的激光束 5 保持 相同的倾斜角度。 0031 在本发明中， 楔形镜 3 与驱动电机 （图中未示出） 相连， 驱动电机驱动楔形镜 3 转 动。通过控制装置发出的控制信号控制楔形镜 3 的转动方向和速度， 使得楔形镜 3 与激光 束 5 的转动方向和速度保持一致。 0032 在本发明中， 激光束5的倾斜角度为激光扫描聚焦镜2的激光聚焦会聚角的一半。 例如倾斜角为 3 5。倾斜角的大小根据加工小孔。

18、的孔径、 深度、 聚焦焦距以及工艺试 验结果等因素综合考虑后确定。 0033 请参考图 3、 图 4、 图 5 所示， 本发明还提供了一种小孔加工方法， 该小孔加工方法 采用如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置， 该小孔加工方法包括 ： 0034 经过超短脉冲激光加工小孔装置的多束倾斜的激光束绕旋转轴 4 旋转， 该旋转轴 4 与被加工件 5 上被加工小孔的中心轴同轴 ； 0035 激光束 5 焦点的运动轨迹为多个同心圆 （如图 3 所示） ， 同心圆的个数、 直径等由加 工不同孔径、 不同深度小孔的工艺试验结果确定 ； 0036 通过激光束 5 在被加工件的表面加工出圆环状凹槽 7 ； 003。

19、7 随被加工出的凹槽 7 深度的增加， 被加工件 6 同步上移， 等同于激光束的焦点 8 逐 步下降， 被加工件 6 上移速度等于被加工件 6 逐层去除的速度， 其中被加工件 6 通过工作 台， 如直线滑台， 实现上移动作 ； 0038 直至完成被加工件 6 上小孔的加工成形。 说 明 书 CN 103418913 A 5 4/4 页 6 0039 进一步的， 在加工过程中， 楔形镜 3 绕旋转轴 4 旋转， 楔形镜 3 旋转方向及速度与 激光束 5 沿圆周运动的轨迹同步。 0040 在本发明中， 实现激光倾斜入射并沿圆周旋转的方法是， 激光束聚焦采用 f- 镜 2 位于 2 维扫描振镜 1 。

20、下方， 聚焦激光束的倾斜通过楔形镜 3 实现， 加工过程中楔形镜 3 绕 旋转轴 4 旋转， 楔形镜 3 旋转方向及速度须与激光束 5 沿圆周运动的轨迹同步， 以保证聚焦 激光束沿圆周运动于不同位置时正确的倾斜方向。 0041 本发明在1台皮秒激光加工系统上完成， 加工头拟采用2维振镜扫描聚焦装置， 通 过扫描振镜1扫描使激光束5沿同心圆高速旋转， 最快可以达到2m/s， 从而尽可能避免加工 过程产生的热影响。 在扫描振镜聚焦装置下端安装直驱电机驱动的楔形镜， 楔形镜的选型、 加工要求及安装位置， 应满足相应的偏离倾角的要求 ； 楔形镜易于更换， 可满足不同加工倾 角要求。 0042 在本发明。

21、中， 由于采用了激光束倾斜入射及激光束沿多个同心圆路径移动的加工 方式， 加工的凹槽开敞性好。因此， 激光焦点在向不断加深的凹槽底部移动过程中， 聚焦激 光束， 尤其是同心圆外侧的激光束由于在倾斜之后， 整个圆锥形光束最接近孔壁端部分几 乎与孔壁平行， 使得激光束基本不会被部分遮蔽， 显然可以增加加工小孔的深度， 并且倾斜 作用于孔壁的激光束也有利于减小小孔锥度。另外， 开敞性的凹槽也有利于加工产生的等 离子体、 金属蒸汽的逃逸， 从而尽量避免对激光的屏蔽以及由此产生的更大热效应， 同样也 易于避免金属蒸汽在孔壁及入口附近的冷凝、 沉积， 提高了加工质量及稳定性。 0043 针对上述各实施方式的详细解释， 其目的仅在于对本发明进行解释， 以便于能够 更好地理解本发明， 但是， 这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制， 特别是， 在 不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合， 从而组成其他实施方式， 除了有 明确相反的描述， 这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中， 而并不仅局限于 所描述的实施方式。 说 明 书 CN 103418913 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4图 5 说 明 书 附 图 CN 103418913 A 7 。