一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置，包括工件裝夾裝置、激光打孔裝置、激光誘導沖擊波裝置和控制系統(tǒng)裝置四個模塊；激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置由上至下分別安裝在工件裝夾裝置上，控制系統(tǒng)裝置通過電纜分別與激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置相連。本發(fā)明可提高激光打孔的深度極限，減少重鑄層的厚度，降低微裂紋萌生率，并提高激光打孔效率，可應用于中、厚板激光打孔加工。
【專利說明】一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工【技術領域】，特指一種利用激光誘導沖擊波來輔助激光打孔的
>J-U ρ?α裝直。
技術背景
[0002]激光打孔技術是激光在材料加工領域最早的應用技術之一。在激光打孔過程中，高能量的脈沖激光聚焦在工件表面，使材料加熱、熔化甚至汽化，隨后金屬蒸氣急劇膨脹的反沖壓力和高壓輔助氣體壓力共同作用下，熔融材料被擠出孔外，后續(xù)的脈沖激光持續(xù)上述過程，材料不斷地去除直至形成盲孔或者通孔。
[0003]激光打孔與其他打孔方法相比具有打孔深徑比大、無接觸、無工具損耗、加工速度快、表面變形小、可以加工各種材料等顯著優(yōu)越性，能良好地滿足現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品加工的要求，廣泛應用于航空航天、電子儀表及醫(yī)療器械等高精尖端產(chǎn)品的關鍵零部件中，如激光加工技術應用于加工航空發(fā)動機上高達IO4個冷卻孔。
[0004]但是，現(xiàn)有的脈沖激光打孔技術存在以下幾個技術難點:
1.存在打孔極限深度，即改變激光打孔參數(shù):激光功率、激光頻率、激光脈寬、光斑大小、離焦量、打孔時間、輔助氣體等，打孔最大深度不超過某一極限值，限制了激光打孔技術向深孔的發(fā)展。出現(xiàn)極限深度的原因是，高壓輔助氣體在深孔中壓力損耗過大，到達孔底的氣壓不足以破壞液體表面張力，同時，孔深越大，壓力越難將熔融材料從孔底擠壓出到孔外，導致孔不再向深度方向發(fā)展?？椎赘邷氐娜廴诓牧弦坏╇y以排出孔外，會使周邊的材料熔化，使孔底的孔徑變大，孔徑不規(guī)則，產(chǎn)生鼓形的畸形孔。
[0005]2.孔壁上附著一定厚度的重鑄層，會引發(fā)孔內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生，重鑄層厚度越
大，微裂紋的萌生率越高。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是，孔底熔融材料是貼著孔壁表面向孔外噴射的，當蒸氣反作用力和輔助氣體壓力不足或者熔融材料聚集過多時，壓力不足以將孔壁上熔融材料推出孔外，而留在孔壁凝固下來，形成重鑄層。尤其在深孔加工中，熔融材料由于外界壓力不足會在孔壁上積存過多，形成較厚的重鑄層，由于重鑄層結構較疏松，是微裂紋產(chǎn)生的源頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置，以提高激光打孔的深度極限，減少重鑄層的厚度，降低微裂紋萌生率，并提高激光打孔效率。
[0007]為了解決以上技術問題，本發(fā)明采用的具體技術方案如下:
一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置，其特征在于包括工件裝夾裝置、激光打孔裝置、激光誘導沖擊波裝置和控制系統(tǒng)裝置，激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置由上至下分別安裝在工件裝夾裝置上，控制系統(tǒng)裝置通過電纜(29)分別與激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置相連；
所述工件裝夾裝置包括底座(21)、機架(6)、夾具(10);機架(6)固定在底座(21)上，機架(6)中部位置上安裝有夾具(10)，涂覆有吸收層(9)的工件(8)裝夾在夾具(10)上；
所述激光打孔裝置包括高能脈沖激光器A(I)、光路系統(tǒng)、激光頭A (3)、三坐標位移裝置A(5)、輔助氣體管(7)和氣罐(11);三坐標位移裝置A(5)安裝在機架(6)最上部，激光頭A (3)固定在三坐標位移裝置A (5)上并且通過光路系統(tǒng)與高能脈沖激光器A (I)相連，激光頭A(3)所設有的輔助氣體通道通過輔助氣體管(7)與氣罐(11)相連；
所述激光誘導沖擊波裝置包括高能脈沖激光器B (26)、光路系統(tǒng)、激光頭B (24)、壓縮空氣噴嘴(23)、三坐標位移裝置C (22)、回水管(20)、水箱(19)、液壓泵(18)、進水管(17)、壓縮空氣管(16)、氣壓發(fā)生裝置(15)、三坐標位移裝置B (14)和水噴嘴(13);所述三坐標位移裝置C(22)安裝在機架(6)下部位置，激光頭B (24)固定在三坐標位移裝置C(22)上并通過光路系統(tǒng)與高能脈沖激光器B(26)相連，激光頭B(24)上還固定有壓縮空氣噴嘴
(23)，壓縮空氣噴嘴(23)的噴口處于激光頭B(24)的側上方，并且噴口的出氣方向與激光頭B(24)的軸線方向垂直，壓縮空氣噴嘴(23)通過壓縮空氣管(16)與氣壓發(fā)生裝置(15)相連，三坐標位移裝置B(14)安裝在機架(6)中部并且處于夾具(10)和三坐標位移裝置C(22)中間，水噴嘴(13)固定在三坐標位移裝置B(14)上并且通過進水管(17)、液壓泵
(18)與水箱(19)相連，機架(6)底部還設有回水管(20)，回水管(20)的另一端通向水箱
(19)；
所述控制系統(tǒng)裝置包括電纜(29)、位移控制器(27)和計算機(28);計算機(28)通過電纜(29)分別與高能脈沖激光器A(I)、高能脈沖激光器B(26)、位移控制器(27)相連，位移控制器(27)通過電纜(29)分別與三個三坐標位移裝置相連。
[0008]1.所述光路系統(tǒng)是由光學鏡片(2)組合而成。
[0009]所述光路系統(tǒng)可米用光纖導光結構。
本發(fā)明的工作原理在于:高能脈沖激光作用于工件上表面使工件上表面產(chǎn)生熔池，然后工件下側的高能脈沖激光穿過約束層并作用于吸收層誘導等離子體爆炸產(chǎn)生沖擊波，沖擊波沿著工件向上傳播并在固液界面處產(chǎn)生擾動，在固液界面產(chǎn)生拉應力，拉應力迫使熔融材料與工件分離，從而使熔融材料破碎并噴出孔外，形成孔穴。該裝置能提高激光打孔速度，增加激光打孔極限深度，同時能減少重鑄層的厚度，降低孔壁微裂紋的萌生率。
[0010]本發(fā)明裝置的工作過程如下:
第一步:將下表面黏貼有吸收層(9)的工件(8)裝夾在夾具(10)上，使工件(8)覆蓋有吸收層(9)的一側朝下；
第二步:控制系統(tǒng)裝置通過控制三坐標位移裝置A (5)和三坐標位移裝置C (22)使激光頭A(3)、激光頭B (24)和所需打的孔三者的中心在同一直線上；
第三步:開啟氣壓發(fā)生裝置(15)使壓縮空氣噴嘴(23)噴出高壓空氣，用以保護工件
(8)下側激光頭B(24)免受流水和熔融材料的污染；然后控制系統(tǒng)裝置通過控制三坐標位移裝置B (14)使水噴嘴(13)移動至激光頭B (24)的側上方且處于工件(8)的下方，啟動液壓泵(18)使水噴嘴(13)向工件(8)下表面噴射一層均勻穩(wěn)定的流水，形成一層緊貼著吸收層的約束層，流水濺落到底座(21)上，沿著回水管(20)流回水箱(19)，形成流水的循環(huán)； 第五步:啟動高能脈沖激光器A (I)和高能脈沖激光器B (26)，使高能脈沖激光A (4)和高能脈沖激光B(25)分別作用于工件(8)的上下表面，進行激光誘導沖擊波輔助激光打孔過程，直至孔深達到要求；
第六步:先關閉高能脈沖激光器A(I)和高能脈沖激光器B (26)，再關閉液壓泵(18)停止流水的噴射，然后取下工件(8)并關閉氣壓發(fā)生裝置(15)，最后去除工件(8)下表面的吸收層(9)。
[0011]本發(fā)明具有有益效果。使用本發(fā)明裝置在工件下側產(chǎn)生的高能脈沖激光B作用于吸收層可產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波輔助工件上側的激光打孔過程，可使孔底熔融材料更易排出孔外，能極大地提高了激光打孔的速度；同時，激光誘導沖擊波可使傳統(tǒng)激光加工中深孔底部難以排出的熔融材料排除孔外，可增加激光打孔的深度極限值；另外，在激光誘導沖擊波作用下，熔融材料以更大的速度離開孔穴，避免在孔壁上的滯留，從而可使孔壁上的重鑄層厚度減少，繼而減少孔壁微裂紋的萌生率，可運用于中、厚板激光打孔加工。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置示意圖。
[0013]圖中:1.高能脈沖激光器A，2.光學鏡片，3.激光頭A，4.高能脈沖激光A，5.三坐標位移裝置A，6.機架，7.輔助氣體管，8.工件，9.吸收層，10.夾具，11.氣罐，12.流水層，13.水噴嘴，14.三坐標位移裝置B，15.氣壓發(fā)生裝置，16.壓縮空氣管，17.進水管，18.液壓泵，19.水箱，20.回水管，21.底座，22.三坐標位移裝置C，23.壓縮空氣噴嘴，24.激光頭B，25.高能脈沖激光B，26.高能脈沖激光器B，27.位移控制器，28.計算機，29.電纜。
【具體實施方式】
[0014]為更好的闡述本發(fā)明的實施細節(jié)，下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。
[0015]如圖1所示，用本發(fā)明進行激光誘導沖擊波輔助激光打孔的裝置包括:工件裝夾裝置、激光打孔裝置、激光誘導沖擊波裝置、控制系統(tǒng)裝置；激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置由上至下分別安裝在工件裝夾裝置上，控制系統(tǒng)裝置通過電纜29分別與激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置相連；
所述工件裝夾裝置包括底座21、機架6、夾具10，其中，機架6固定在底座21上，機架6中部位置上安裝有夾具10，涂覆有吸收層9的工件8裝夾在夾具10上；
所述激光打孔裝置包括高能脈沖激光器A 1、光路系統(tǒng)、激光頭A3、三坐標位移裝置A
5、輔助氣體管7、氣罐11，其中三坐標位移裝置A 5安裝在機架6最上部，激光頭A 3固定在三坐標位移裝置A 5上并且通過光路系統(tǒng)與高能脈沖激光器A I相連，激光頭A 3所設有的輔助氣體通道通過輔助氣體管7與氣罐11相連；其中光路系統(tǒng)由光學鏡片2組合而成。
[0016]所述激光誘導沖擊波裝置包括高能脈沖激光器B 26、光路系統(tǒng)、激光頭B 24、壓縮空氣噴嘴23、三坐標位移裝置C 22、回水管20、水箱19、液壓泵18、進水管17、壓縮空氣管16、氣壓發(fā)生裝置15、三坐標位移裝置B 14、水噴嘴13，其中三坐標位移裝置C 22安裝在機架6下部位置，激光頭B 24固定在三坐標位移裝置C 22上并通過光路系統(tǒng)與高能脈沖激光器B 26相連，激光頭B 24上還固定有壓縮空氣噴嘴23，壓縮空氣噴嘴23的噴口處于激光頭B 24的側上方，并且噴口的出氣方向與激光頭B 24的軸線方向垂直，壓縮空氣噴嘴23通過壓縮空氣管16與氣壓發(fā)生裝置15相連，三坐標位移裝置B 14安裝在機架6中部并且處于夾具10和三坐標位移裝置C 22中間，水噴嘴13固定在三坐標位移裝置B 14上并且通過進水管17、液壓泵18與水箱19相連，機架6底部還設有回水管20，回水管20的另一端通向水箱19 ；
所述控制系統(tǒng)裝置包括電纜29、位移控制器27、計算機28，其中，計算機28通過電纜29分別與高能脈沖激光器A 1、高能脈沖激光器B 26、位移控制器27相連，位移控制器27通過電纜29分別與三個三坐標位移裝置相連。
[0017]本實施例中工件8為300mmX 300mmX 5mm的不銹鋼板；吸收層9為厚度為100 μ m的鋁箔，用專用膠水黏貼在不銹鋼板上；厚度為3mm的流水層12作為激光誘導沖擊波的約束層；輔助氣體采用氣壓值為0.5MPa的氧氣；為防止激光頭B 24受流水和熔融材料的污染，調節(jié)壓縮空氣壓力值為0.2MPa ;高能脈沖激光A 4為脈寬為2ms，功率為2500W，頻率為30Hz，離焦量為O的脈沖激光；高能脈沖激光B 25為脈寬為15ns，能量為15J，頻率為30Hz的脈沖激光。
[0018]實施本發(fā)明的具體過程如下:
第一步:將下表面黏貼有吸收層(9)的工件8裝夾在夾具10上，使工件8覆蓋有吸收層9的一側朝下；
第二步:控制系統(tǒng)裝置通過控制三坐標位移裝置A5和三坐標位移裝置C22使激光頭A3、激光頭B24和所需打的孔三者的中心在同一直線上；
第三步:開啟氣壓發(fā)生裝置15使壓縮空氣噴嘴23噴出高壓空氣，用以保護工件8下側激光頭B24免受流水和熔融材料的污染；然后控制系統(tǒng)裝置通過控制三坐標位移裝置B14使水噴嘴13移動至激光頭B24的側上方且處于工件8的下方，啟動液壓泵18使水噴嘴13向工件8下表面噴射一層均勻穩(wěn)定`的流水，形成一層緊貼著吸收層的約束層，流水濺落到底座21上，沿著回水管20流回水箱19 ；
第五步:啟動高能脈沖激光器Al和高能脈沖激光器B26，使高能脈沖激光A4和高能脈沖激光B25分別作用于工件8的上下表面，進行激光誘導沖擊波輔助激光打孔過程，直至孔深達到要求；
第六步:先關閉高能脈沖激光器Al和高能脈沖激光器B26，再關閉液壓泵18停止流水的噴射，然后取下工件8并關閉氣壓發(fā)生裝置15，最后去除工件8下表面的吸收層9。
【權利要求】
1.一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置，其特征在于包括工件裝夾裝置、激光打孔裝置、激光誘導沖擊波裝置和控制系統(tǒng)裝置，激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置由上至下分別安裝在工件裝夾裝置上，控制系統(tǒng)裝置通過電纜(29)分別與激光打孔裝置和激光誘導沖擊波裝置相連； 所述工件裝夾裝置包括底座(21)、機架(6)、夾具(10);機架(6)固定在底座(21)上，機架(6)中部位置上安裝有夾具(10)，涂覆有吸收層(9)的工件(8)裝夾在夾具(10)上；所述激光打孔裝置包括高能脈沖激光器A(I)、光路系統(tǒng)、激光頭A(3)、三坐標位移裝置A(5)、輔助氣體管(7)和氣罐(11);三坐標位移裝置A(5)安裝在機架(6)最上部，激光頭A (3)固定在三坐標位移裝置A (5)上并且通過光路系統(tǒng)與高能脈沖激光器A (I)相連，激光頭A(3)所設有的輔助氣體通道通過輔助氣體管(7)與氣罐(11)相連； 所述激光誘導沖擊波裝置包括高能脈沖激光器B (26)、光路系統(tǒng)、激光頭B (24)、壓縮空氣噴嘴(23)、三坐標位移裝置C (22)、回水管(20)、水箱(19)、液壓泵(18)、進水管(17)、壓縮空氣管(16)、氣壓發(fā)生裝置(15)、三坐標位移裝置B (14)和水噴嘴(13);所述三坐標位移裝置C(22)安裝在機架(6)下部位置，激光頭B (24)固定在三坐標位移裝置C(22)上并通過光路系統(tǒng)與高能脈沖激光器B(26)相連，激光頭B(24)上還固定有壓縮空氣噴嘴(23)，壓縮空氣噴嘴(23)的噴口處于激光頭B(24)的側上方，并且噴口的出氣方向與激光頭B(24)的軸線方向垂直，壓縮空氣噴嘴(23)通過壓縮空氣管(16)與氣壓發(fā)生裝置(15)相連，三坐標位移裝置B(14)安裝在機架(6)中部并且處于夾具(10)和三坐標位移裝置C(22)中間，水噴嘴(13)固定在三坐標位移裝置B(14)上并且通過進水管(17)、液壓泵(18)與水箱(19)相連，機架(6)底部還設有回水管(20)，回水管(20)的另一端通向水箱(19)；· 所述控制系統(tǒng)裝置包括電纜(29)、位移控制器(27)和計算機(28);計算機(28)通過電纜(29)分別與高能脈沖激光器A(I)、高能脈沖激光器B(26)、位移控制器(27)相連，位移控制器(27)通過電纜(29)分別與三個三坐標位移裝置相連。
2.如權利要求1所述的一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置，其特征在于，所述光路系統(tǒng)是由光學鏡片(2)組合而成。
3.如權利要求1所述的一種激光誘導沖擊波輔助激光打孔裝置，其特征在于，所述光路系統(tǒng)可采用光纖導光結構。
【文檔編號】B23K28/02GK103521936SQ201310476632
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權日:2013年10月14日
【發(fā)明者】戴峰澤, 溫德平, 張永康 申請人:江蘇大學