CN110280914B - 一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置及方法，涉及激光打孔领域，包括振动模块、第一脉冲激光器、计算机、第二脉冲激光器控制器、第二脉冲激光器、超声探测器和振动模块控制器；该方法原理是在第一脉冲激光器对工件加工之前，加工过程中以及加工之后的一段时间，采用第二脉冲激光器作用于工件下表面激发出超声波，超声波产生超声振动辅助激光打孔，采用振动模块产生超声振动，使得第一脉冲激光器输出激光聚焦后的焦点按一定的频率上下振动。本发明有效的缓解了目前脉冲激光打孔重铸层较厚、热影响区较大和存在微裂纹的问题，使工件具有更高的加工质量，同时可以提高打孔深度，并大大提高加工效率。

Description

一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置及方法

技术领域

本发明涉及激光打孔领域，尤其是一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置及方法。

背景技术

激光打孔是一项非常重要的激光加工应用技术，通过聚焦透镜对激光束进行聚焦能够得到直径很小的光斑，在焦点处形成很高的温度。在脉冲激光的作用下，材料不断熔化和蒸发。最后，气体和打孔形成的等离子体会产生高压将杂质吹出孔洞，形成微孔。相对于传统的机械钻孔方式，激光打孔具有独特的优势和不可替代的作用，如效率高、精度高、无机械应力及无工具损耗等，已成为现代微小孔加工领域的关键技术之一。

但是在脉冲激光打孔过程中材料会经历高温烧融和冷却凝结的复杂过程，最终在微孔内壁形成重铸层、热影响区和微裂纹，这对于零件的质量是极为不利的，同时也限制了脉冲激光打孔在工业中的广泛应用。公开号为CN103521933A的中国专利《一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法》公开了一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法，通过高能脉冲激光作用于工件上表面使工件上表面产生熔池,然后工件下侧的高能脉冲激光穿过约束层并作用于吸收层诱导等离子体爆炸产生冲击波,冲击波沿着工件向上传播并在固液界面处产生扰动,在固液界面产生拉应力,拉应力迫使熔融材料与工件分离,从而使熔融材料破碎并喷出孔外。该专利采用的是激光诱导冲击波的方法来加速熔融物的去除，进而提高打孔效率与质量，但该专利所述方法需要在工件下侧设置约束层，工艺相对复杂，且会对工件基体造成损伤。公开号为CN107790897A的中国专利《一种超声振动辅助激光打孔方法及装置》提供了一种超声振动辅助激光打孔方法及装置，在进行激光打孔的同时,超声振动生成单元产生的超声振动以垂直于工件加工表面的方向作用于工件。该发明有助于激光打孔时孔内的熔化材料排出，提高微孔质量。但该专利所述方法超声振动并不是直接作用到工件上，而是采用水介质作为超声波传输介质，将超声振动传输到工件上，这会造成超声波能量的损失，降低超声振动的辅助效果，另外超声波频率也较低。

发明内容

本发明为了解决目前脉冲激光打孔重铸层较厚、热影响区较大和存在微裂纹的问题，提供一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置及方法。

本发明的技术方案是：包括振动模块、第一反射平面镜、第一扩束器、第一脉冲激光器、第一脉冲激光器控制器、计算机、第二脉冲激光器控制器、第二脉冲激光器、第二扩束器、第二反射平面镜、分束镜、工件、超声探测器、夹具、工作平台、工作平台控制器、振动模块控制器；

所述第一反射平面镜位于最上方，其正下方依次为振动模块、工件、分束镜和第二反射平面镜；所述工件固定在夹具上，夹具固定在工作平台上；所述超声探测器安装在工件上侧，不与工件接触；所述工作平台控制器的一端与工作平台连接，另一端与计算机连接；所述振动模块控制器的一端与振动模块连接，另一端与计算机连接；所述超声探测器与计算机连接。

所述第一脉冲激光器、第一扩束器、第一反射平面镜和振动模块依次位于同一光路上；所述第一脉冲激光控制器的一端与第一脉冲激光器连接，另一端与计算机连接；

所述第二脉冲激光器、第二扩束器、第二反射平面镜和分束镜依次位于同一光路上；所述第二脉冲激光控制器的一端与第二脉冲激光器连接，另一端与计算机连接。

上述方案中，所述振动模块包括基座、导轨、滑动块、压电陶瓷超声振动器和聚焦透镜；压电陶瓷超声振动器为中空结构，激光束可以从中穿过，上侧固定安装在基座上；滑动块可在导轨上滑动，且为中空结构，激光束可以从中穿过，滑动块上侧安装在压电陶瓷超声振动器的下侧；聚焦透镜安装在滑动块上。

上述方案中，所述第一反射平面镜与水平方向呈45度角；所述第一脉冲激光器发射的激光束依次通过第一扩束器、第一反射平面镜和振动模块聚焦到工件上表面。

上述方案中，所述第二反射平面镜与水平方向呈135度角；所述第二脉冲激光器发射的激光束依次通过第二扩束器、第二反射平面镜和分束镜作用到工件下表面。

一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔方法，在第一脉冲激光器对工件加工之前，加工过程中以及加工之后的一段时间，一方面采用第二脉冲激光器作用于工件下表面激发出超声波，超声波产生超声振动辅助激光打孔，另一方面采用振动模块产生超声振动，使得第一脉冲激光器输出激光聚焦后的焦点按一定的频率上下振动；此外，采用超声探测器实时探测作用在工件上的超声信号能量，并传回计算机。具体包括如下步骤：

S1、对工件上下表面进行预处理；

S2、将工件固定在夹具上，夹具固定在工作平台上；

S3、利用工作台控制器控制移动工作平台，调整工件的位置，并通过计算机设定好工件的所有加工位置；

S4、所有加工位置的加工参数通过计算机和相应的控制器一次全部设置完毕；通过第一脉冲激光器控制器设定第一脉冲激光器输出用于加工的脉冲激光束的输出参数；通过第二脉冲激光器控制器设定第二脉冲激光器输出用于产生超声振动的脉冲激光束的输出参数；通过振动模块控制器设定振动模块的工作参数；

S5、打开振动模块和超声探测器，打开第二脉冲激光器输出激光束作用于工件下表面，作用时间由计算机控制；

S6、作用一段时间后，打开第一脉冲激光器输出脉冲激光束，激光束通过振动模块作用到工件上加工位置，在工件加工区域形成小孔；

S7、小孔加工结束后，关闭第一脉冲激光器并在间隔一段时间后关闭第二脉冲激光器(8)、振动模块和超声探测器；

S8、利用工作平台控制器控制移动工作平台移动到下一个位置；

S9、重复以上步骤S5-S8，对工件下一个位置进行加工，直至所有位置加工结束。

上述方案中，所述第一脉冲激光器是指高功率激光器，其输出用于加工的激光功率密度>10⁷W/cm²；第二脉冲激光器输出的激光功率密度值低于被加工工件下表面材料的损伤阈值，被加工工件下表面由于吸收激光束辐射能导致材料局部温度上升而不足以使其材料熔化，确保工件下表面完全无损。

上述方案中，在实际加工中，可以在工件下表面涂各种涂层(如水或油)，用于提高工件下表面吸收系数。同时在实际加工中，设定第二脉冲激光器输出脉冲宽度较窄的激光束同样可以提高超声信号的能量。

上述方案中，第二脉冲激光器作用于工件下表面激发出的超声波频率可达GHz量级。

上述方案中，振动模块的振动频率大于20kHz，即第一脉冲激光器输出激光聚焦后的焦点上下振动频率大于20kHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中通过激光辐照在工件下表面产生热能，因此基于热弹机制激发出高频超声波，产生超声振动，用于辅助激光打孔；通过第二脉冲激光器产热激发出超声波，可以促进激光打孔过程中的熔融物的去除，提高激光打孔效率，减小微孔内壁重铸层厚度，减少内壁微裂纹的产生，提高微孔质量；另外，本发明工件下方激光所激发出的超声波频率可达GHz量级，可以明显提高超声辅助激光打孔质量。

2.本发明使用激光作用在工件下表面，其输出的激光功率密度低于被加工工件材料表面的损伤阈值，被加工工件表面由于吸收激光束辐射能导致材料局部温度上升而不足以使其材料熔化，可以确保工件下表面完全无损；此外，通过分束器后作用到工件下表面的激光束越多光束分布范围越广，这样激发出的超声振动更加均匀且范围更广。

3.本发明采用振动模块产生超声振动，使得第一脉冲激光器输出激光聚焦后的焦点按一定的频率上下振动，且振动频率大于20kHz，这样在激光打孔过程中焦点可以作用到工件的内部，且激光能量不会集中作用在工件上，明显提高打孔效率并减小热影响区。

4.本发明不仅在工件上施加超声振动，同时在激光加工头上施加超声振动，最终导致激光打孔质量与效率的同步提高。此外，本发明采用超声探测器探测工件中的超声信号能量，并实时返回计算机，可以实时了解超声辅助加工过程中工件中的超声强度，并为加工参数的优化提供参考依据。

5.本发明自动化程度较高，只需将工件定位好，通过计算机编程便可以实现自动化加工。

附图说明

图1为本发明一实施方式的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的示意图。

图中，1.振动模块，2.第一反射平面镜，3.第一扩束器，4.第一脉冲激光器，5.第一脉冲激光器控制器，6.计算机，7.第二脉冲激光器控制器，8.第二脉冲激光器，9.第二扩束器，10.第二反射平面镜，11.分束器，12.工件，13.超声探测器，14.夹具，15.工作平台，16.工作平台控制器，17.振动模块控制器。

图2为本发明一实施方式的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的振动模块示意图。

图中，18.基座，19.导轨，20.滑动块，21压电陶瓷超声振动器，22.聚焦透镜。

图3为本发明一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔方法打孔材料去除过程示意图。

图中，23.第一激光束，24.熔融物，25.热影响区，12.工件，26.超声振动，27.经过分束器后的第二激光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例一：

一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置，其特征在于，包括振动模块1、第一反射平面镜2、第一扩束器3、第一脉冲激光器4、第一脉冲激光器控制器5、计算机6、第二脉冲激光器控制器7、第二脉冲激光器8、第二扩束器9、第二反射平面镜10、分束镜11、工件12、超声探测器13、夹具14、工作平台15、工作平台控制器16、振动模块控制器17；

所述第一反射平面镜2位于最上方，其正下方依次为振动模块1、工件12、分束镜11和第二反射平面镜10；所述工件12固定在夹具14上，夹具14固定在工作平台15上；所述超声探测器13安装在工件12上侧，不与工件12接触；所述工作平台控制器16的一端与工作平台15连接，另一端与计算机6连接；所述振动模块控制器17的一端与振动模块1连接，另一端与计算机6连接；所述超声探测器13与计算机6连接。

所述第一脉冲激光器4、第一扩束器3、第一反射平面镜2和振动模块1依次位于同一光路上；所述第一脉冲激光控制器5的一端与第一脉冲激光器4连接，另一端与计算机6连接；

所述第二脉冲激光器8、第二扩束器9、第二反射平面镜10和分束镜11依次位于同一光路上；所述第二脉冲激光控制器7的一端与第二脉冲激光器8连接，另一端与计算机6连接。通过第二脉冲激光器产热激发超声波，可以促进激光打孔过程中的熔融物的去除，提高激光打孔效率，减小微孔内壁重铸层厚度，减少内壁微裂纹的产生，提高微孔质量；

所述振动模块1包括基座18、导轨19、滑动块20、压电陶瓷超声振动器21和聚焦透镜22；压电陶瓷超声振动器21为中空结构，激光束可以从中穿过，上侧固定安装在基座18上；滑动块20可在导轨19上滑动，且为中空结构，激光束可以从中穿过，滑动块20上侧安装在压电陶瓷超声振动器21的下侧；聚焦透镜22安装在滑动块20上。

所述第一反射平面镜2与水平方向呈45度角；所述第一脉冲激光器4发射的激光束依次通过第一扩束器3、第一反射平面镜2和振动模块1聚焦到工件12上表面。

所述第二反射平面镜10与水平方向呈135度角；所述第二脉冲激光器8发射的激光束依次通过第二扩束器9、第二反射平面镜10和分束镜11作用到工件12下表面；通过分束器后作用到工件下表面的激光束越多光束分布范围越广，这样激发出的超声振动更加均匀且范围更广。

实施例二：

一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔方法，在第一脉冲激光器4输出第一激光束23对工件12加工之前，加工过程中以及加工之后的一段时间，一方面采用第二脉冲激光器8输出第二激光束，经过分束器后的第二激光束27作用于工件12下表面，部分能量被材料表面吸收并转化为热能，导致材料表面温度迅速升高，进而使得材料膨胀。通过热弹效应形成应变场和应力场，从而激发出高频超声波，超声波产生超声振动辅助激光打孔，促进激光打孔中熔融物的去除，提高打孔效率，减小重铸层厚度和微裂纹，提高打孔质量。另一方面振动模块控制器17控制压电陶瓷超声振动器21工作，滑动块20在压电陶瓷超声振动器21的带动下沿导轨19在垂直方向上上下移动，迫使聚焦透镜22在垂直方向上上下移动，最终导致聚焦后的焦点在垂直方向上以大于20kHz的移动频率上下移动。这样在激光打孔过程中焦点可以作用到工件12的内部，且激光能量不会集中作用在工件12上，提高打孔效率并减小热影响区。此外，采用超声探测器13实时探测作用在工件12上的超声信号能量，并传回计算机6。

具体包括如下步骤：

S1、对工件12上下表面进行预处理；

S2、将工件12固定在夹具14上，夹具14固定在工作平台15上；

S3、利用工作台控制器16控制移动工作平台15，调整工件12的位置，并通过计算机6设定好工件12的所有加工位置；

S4、所有加工位置的加工参数通过计算机6和相应的控制器一次全部设置完毕；通过第一脉冲激光器控制器5设定第一脉冲激光器4输出用于加工的脉冲激光束的输出参数；通过第二脉冲激光器控制器7设定第二脉冲激光器8输出用于产生超声振动的脉冲激光束的输出参数；通过振动模块控制器17设定振动模块1的工作参数；

S5、打开振动模块1和超声探测器13，打开第二脉冲激光器8输出激光束作用于工件12下表面，作用时间由计算机6控制；

S6、作用一段时间后，打开第一脉冲激光器4输出脉冲激光束，激光束通过振动模块1作用到工件12上加工位置，在工件12加工区域形成小孔；

S7、小孔加工结束后，关闭第一脉冲激光器4并在间隔一段时间后关闭第二脉冲激光器8、振动模块1和超声探测器13；

S8、利用工作平台控制器16控制移动工作平台15移动到下一个位置；

S9、重复以上步骤S5-S8，对工件12下一个位置进行加工，直至所有位置加工结束。

所述第一脉冲激光器4是指高功率激光器，其输出用于加工的激光功率密度>10⁷W/cm²；第二脉冲激光器8输出的激光功率密度值低于被加工工件12下表面材料的损伤阈值，被加工工件12下表面由于吸收激光束辐射能导致材料局部温度上升而不足以使其材料熔化，确保工件12下表面完全无损。

在实际加工中，可以在工件12下表面涂各种涂层如水或油，用于提高工件下表面吸收系数。同时在实际加工中，设定第二脉冲激光器8输出脉冲宽度较窄的激光束同样可以提高超声信号的能量。

第二脉冲激光器8作用于工件12下表面激发出的超声波频率可达GHz量级。

振动模块1的振动频率大于20kHz，即第一脉冲激光器4输出激光聚焦后的焦点上下振动频率大于20kHz。

上述技术方案体现了本发明专利的优选方案，本技术领域的技术人员对部分功能进行修改体现本专利原理的，属于本专利保护范围之内。

Claims (11)

1.一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置，其特征在于，包括振动模块（1）、第一反射平面镜（2）、第一脉冲激光器（4）、第一脉冲激光器控制器（5）、计算机（6）、第二脉冲激光器控制器（7）、第二脉冲激光器（8）、第二反射平面镜（10）、超声探测器（13）和振动模块控制器（17）；所述第一反射平面镜（2）位于最上方，其正下方依次为振动模块（1）、工件（12）和第二反射平面镜（10）；所述工件（12）设置在夹具（14）上，夹具（14）设置在工作平台（15）上；所述超声探测器（13）置于工件（12）上侧，且不与工件（12）接触；工作平台控制器（16）的一端与工作平台（15）连接，另一端与计算机（6）连接；所述振动模块控制器（17）的一端与振动模块（1）连接，另一端与计算机（6）连接；所述超声探测器（13）与计算机（6）连接；所述第一脉冲激光器（4）、第一反射平面镜（2）和振动模块（1）依次位于同一光路上；所述第一脉冲激光控制器（5）的一端与第一脉冲激光器（4）连接，另一端与计算机（6）连接；所述第二脉冲激光器（8）、第二反射平面镜（10）依次位于同一光路上；所述第二脉冲激光控制器（7）的一端与第二脉冲激光器（8）连接，另一端与计算机（6）连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置，其特征在于，所述振动模块（1）包括基座（18）、导轨（19）、滑动块（20）、压电陶瓷超声振动器（21）和聚焦透镜（22）；压电陶瓷超声振动器（21）为中空结构，激光束可从中空结构穿过，其上端面安装在基座（18）上；滑动块（20）可沿导轨（19）上下滑动，且为中空结构，激光束可从中穿过，滑动块（20）上侧安装在压电陶瓷超声振动器（21）的下侧；聚焦透镜（22）安装在滑动块（20）上。

3.根据权利要求1所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置，其特征在于，所述第一脉冲激光器（4）发出的激光经第一扩束器（3）扩束、第二脉冲激光器（8）发出的激光经第二扩束器（9）扩束。

4.根据权利要求3所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置，其特征在于，所述第二反射平面镜（10）与水平方向呈135°；所述第二脉冲激光器（8）发射的激光束依次通过第二扩束器（9）、第二反射平面镜（10）和分束镜（11）作用到工件（12）下表面。

5.根据权利要求3所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置，其特征在于，所述第一反射平面镜（2）与水平方向呈45°；所述第一脉冲激光器（4）发射的激光束依次通过第一扩束器（3）、第一反射平面镜（2）和振动模块（1）聚焦到工件（12）上表面。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，在第一脉冲激光器（4）对工件（12）加工之前，加工过程中以及加工之后的一段时间，采用第二脉冲激光器（8）作用于工件（12）下表面激发出超声波，超声波产生超声振动辅助激光打孔；采用振动模块（1）产生超声振动，使得第一脉冲激光器（4）输出激光聚焦后的焦点按一定的频率上下振动；此外，采用超声探测器（13）实时探测作用在工件（12）上的超声信号能量，并传回计算机（6）；具体包括如下步骤：

S1、对工件（12）上下表面进行预处理；

S2、将工件（12）设置在夹具（14）上，夹具（14）设置在工作平台（15）上；

S3、利用工作平台控制器（16）控制移动工作平台（15），从而调整工件（12）的位置，并通过计算机（6）设定工件（12）的所有加工位置；

S4、所有加工位置的加工参数通过计算机（6）和相应的控制器一次全部设置完毕；具体的，通过第一脉冲激光器控制器（5）设定第一脉冲激光器（4）输出用于加工的脉冲激光束的输出参数；通过第二脉冲激光器控制器（7）设定第二脉冲激光器（8）输出用于产生超声振动的脉冲激光束的输出参数；通过振动模块控制器（17）设定振动模块（1）的工作参数；

S5、打开振动模块（1）和超声探测器（13），打开第二脉冲激光器（8）输出激光束作用于工件（12）下表面，作用时间由计算机（6）控制；

S6、作用一段时间后，打开第一脉冲激光器（4）输出脉冲激光束，激光束通过振动模块（1）作用到工件（12）上加工位置，在工件（12）加工区域形成小孔；

S7、小孔加工结束后，关闭第一脉冲激光器（4），间隔一段时间后关闭第二脉冲激光器（8）、振动模块（1）和超声探测器（13）；

S8、利用工作平台控制器（16）控制移动工作平台（15）移动到下一个位置；

S9、重复以上步骤S5-S8，对工件（12）下一个位置进行加工，直至所有位置加工结束。

7.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，所述第一脉冲激光器（4）是为高功率激光器，其输出用于加工的激光功率密度>10⁷W/cm²；第二脉冲激光器（8）输出的激光功率密度值低于被加工工件（12）下表面材料的损伤阈值，被加工工件（12）下表面因吸收激光束辐射能导致材料局部温度上升而不足以使其材料熔化，确保工件（12）下表面完全无损。

8.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，在实际加工中，可在工件（12）下表面涂各种涂层，用于提高工件下表面吸收系数。

9.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，第二脉冲激光器（8）作用于工件（12）下表面激发出的超声波频率可达GHz量级。

10.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，振动模块（1）的振动频率大于20kHz，即第一脉冲激光器（4）输出激光聚焦后的焦点上下振动频率大于20kHz。

11.根据权利要求8所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法，其特征在于，可在工件（12）下表面涂水或者油。

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