CN105880849A - 激光复合喷射液束的微纳加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光复合喷射液束的大长径比微纳加工方法及装置，属于微纳加工技术领域，该装置包括激光脉冲序列调节器(1)、激光系统(2)、激光束调整系统(3)、可见光透射激光反射镜(4)、激光束与喷射液束同轴观测调控系统(5)、聚焦镜(6)、调控装置(7)、喷射装置(8)、微纳工作台(9)、喷射液过滤循环系统(10)、脉冲电源(11)和整体控制系统电源(12)，该方法是利用激光系统(2)产生的激光束以喷射装置(8)产生的喷射液束作为介质在工件上进行微纳加工。该微纳加工方法及装置适用于发动机叶片气膜孔的加工。

Description

激光复合喷射液束的微纳加工方法及装置

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种激光复合喷射液束的大长径比微纳加工方法及装置，长径比最大可达20:1，该微纳加工方法及装置适用于发动机叶片气膜孔的加工。

背景技术

现代航空、航海技术的发展促使着航空发动机、大型燃气轮机的不断更新，大推重比和高功重比的发动机意味着更高的涡前温度，因此发动机普遍采用了高温合金、钛合金或者表面覆盖陶瓷涂层的合金作为叶片材料，同时采用小孔气膜冷却式涡轮叶片进行强制冷却，提高发动机的耐热性能及可靠性。叶片气膜孔的孔径一般为0.2～0.8mm有的设计可达0.2～2mm，由于其复杂的空间角度，要求具有较高的表面质量、较小的表面再铸层，每片叶片有数十至数百个、燃烧室有数万个这样的气膜孔。

现有的气膜孔加工方法主要包括常规机械加工、电火花加工、喷射液束加工、常规激光加工、短脉冲激光加工和飞秒激光加工，但这些加工方法都存在一定的局限性。常规机械加工由于刀具磨损和位置受限，而无法加工气膜孔；电火花加工的电极制作和修复困难，加工效率低，加工尺寸精度不可控，表面粗糙度低、毛刺多，并且会产生再镀层；喷射液束加工的加工效率低，加工粗糙度差，不能加工异形孔；常规激光加工、短脉冲激光加工后不可避免地会产生再镀层甚至微裂纹，且加工后存在热影响区，小孔下方端口有熔瘤堆积，磨粒流难以去除；飞秒激光加工的加工效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光复合喷射液束的微纳加工方法及装置，采用该方法及装置可以高效率地加工大长径比的金属微纳结构，并且能够消除再铸层、无微裂纹、无残余应力、无热影响区。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种激光复合喷射液束的微纳加工装置，所述微纳加工装置包括激光脉冲序列调节器1、激光系统2、激光束调整系统3、可见光透射激光反射镜4、激光束与喷射液束同轴观测调控系统5、聚焦镜6、调控装置7、喷射装置8、微纳工作台9、喷射液过滤循环系统10、脉冲电源11和整体控制系统电源12，其中，

所述激光脉冲序列调控器1与激光系统2连接；

所述激光系统2产生的激光经过激光束调整系统3后到达可见光透射激光反射镜4；

所述激光束与喷射液束同轴调控系统5包括调节镜501、滤光镜502、刻度标尺镜503和CCD摄像机504；

所述调控装置7中心设有通孔，调控装置7与喷射装置8固定连接；

所述喷射装置8包括玻璃窗口801、喷嘴802、喷射液束803，玻璃窗口801布置于喷射装置8的壳体上，喷嘴802布置于喷射装置8壳体的内部，喷嘴802喷出喷射液束803，

所述微纳工作台9包括夹具901和工作台面902，夹具901布置于工作台面902上；

所述CCD摄像机504、刻度标尺镜503、滤光镜502、调节镜501、可见光透射激光反射镜4、聚焦镜6、调控装置7、喷嘴802、夹具901和工作台面902从上至下依次布置且具有同一竖向中心线；

所述喷射液过滤循环系统10包括喷射液箱1001、一级过滤器1002、蓄能器1003、泵组1004、压力表1005、二级过滤器1006和流量控制器1007，喷射液箱1001通过管路依次与泵组1004、一级过滤器1002、蓄能器1003和二级过滤器1006连接，并进一步与喷射装置8的喷嘴802连接，管路上还设有压力表1005和流量控制器1007，喷射液箱1001通过管路还与微纳工作台9连接；

所述脉冲电源11与喷射装置8的喷嘴801连接；

所述激光脉冲序列调节器1、激光系统2、激光束与喷射液束同轴观测调控系统5、微纳工作台9、喷射液过滤循环系统10、脉冲电源11均与整体控制系统电源12电连接。

所述激光系统2为飞秒激光系统。

所述喷射液束803为电解溶液，所述电解溶液为酸性或中性溶液，浓度为5％-30％，介质为蒸馏水或者去离子水。

所述喷射装置8整体的材质为耐腐蚀不锈钢；玻璃窗口801的材质为光学玻璃；喷嘴802的材质为宝石或金刚石。

所述夹具901倾斜布置，倾斜角度为12-72°；所述工作台面901和夹具902经过防腐蚀及绝缘处理。

所述脉冲电源11为纳秒级脉冲电源。

采用所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置的微纳加工方法，该微纳加工方法是利用激光系统产生的激光束以喷射装置8产生的喷射液束作为介质在工件上进行微纳加工。

包括如下步骤：

1)装置检测：包括电路检测、光路检测、喷射液过滤循环系统检测；

2)激光束与喷射液束同轴观测调控：通过激光束与喷射液束同轴观测调控系统5将激光束和喷射液束调节为同轴，具体步骤如下：

将调节件放置于喷射装置8的上方，打开激光系统2，激光系统2产生的激光束经过可见光透射激光反射镜4反射到达聚焦镜6，并进一步打在调节件表面形成通孔，即为激光焦点中心；调节CCD相机504的屏幕十字线的中心点对准通孔的中心，此时CCD相机504的屏幕十字线的中心点即为激光焦点中心，移开调节件；开启喷射液过滤循环系统10中的泵组1004，调节喷射液压，使得喷射液束稳定，调节Z轴方向使得激光焦点中心和喷嘴801的上表面共面；再以CCD相机504的屏幕十字线的中心点为基准调节调控装置7，校准喷射液束中心；

3)复合加工：调节激光系统2的激光加工参数、喷射液过滤循环系统10的加工喷射液压及脉冲电源11的脉冲和电压参数；通过调整夹具901将工件以待加工姿态固定在工作台面902上，对工件进行激光复合喷射液束的微纳加工。

所述装置检测的具体操作如下：

电路检测：检查并确保激光系统2、激光脉冲序列调控器1、激光束与喷射液束同轴观测调控系统5、喷射装置8、喷射液过滤循环系统10、微纳工作台9与整体系统控制电源12连接正常，不存在短路的隐患；

光路检测：打开激光系统2，将检测件放置于微纳工作台9上，预先加工检测件，确认激光光路顺畅后，将检测件从微纳工作台9上取下；

喷射液过滤循环系统检测：将蒸馏水加入到喷射液过滤循环系统10中，打开喷射液过滤循环系统10，确认管路流畅，喷射液过滤循环系统10正常工作；再加入喷射液，开启喷射液过滤循环系统10的泵组1004后排除管路内剩余的蒸馏水。

所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置在加工微孔中的应用。

所述微孔为发动机叶片气膜孔，所述微孔的长径比最大可达20:1。

所述的激光复合喷射液束的微纳加工方法在加工微孔中的应用。

所述微孔为发动机叶片气膜孔，所述微孔的长径比最大可达20:1。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法以激光的光热效应为主，激光具有极高的瞬间功率，可以在极短的时间内去除材料，并且产生的再铸层薄，微裂纹少，加工的孔圆整光洁；

2)本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法中喷射液束加工不仅可以作为介质辅助激光加工去除材料，而且可以迅速有效地去除激光加工时所产生的再铸层，同时喷射液束的冷却作用可以消除激光加工带来的热影响区，此外喷射液束还可以冲刷加工区域，从而有效阻止再铸层的生成；

3)本发明的激光复合喷射液束的微纳加工装置基于十字线调整焦点的技术，利用CCD相机实时反馈的图像，调控装置7的电机会实时运作调整喷射装置8的位置，保证焦点中心始终位于CCD相机显示屏十字线中心，从而保证了激光束与喷射液束同轴，并且能够充分减小液体进压以及丝杠位移时的震动，对加工精度的影响，可以同时实现激光加工与喷射液束加工，通过复合加工达到高效高精度的加工效果。

附图说明

图1为本发明的激光复合喷射液束的微纳加工装置的示意图；

图2为本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法中基于焦点中心调整CCD相机显示屏的屏幕十字线的过程示意图；

图3为本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法中Z轴方向校准前后对比图；

图4本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法中基于CCD相机显示屏的屏幕十字线调整喷射窗口中心的过程示意图。

附图标记说明

1 激光脉冲序列调控器

2 激光系统

3 激光束调整系统

4 可见光透射激光反射镜

5 激光束与喷射液束同轴观测调控系统

501 调节镜

502 滤光镜

503 刻度标尺镜

504 CCD相机

6 聚焦镜

7 调控装置

8 喷射装置

801 玻璃窗口

802 喷嘴

803 喷射液束

9 微纳工作台

901 夹具

902 工作台面

10 喷射液过滤循环系统

1001 喷射液箱

1002 一级过滤器

1003 蓄能器

1004 泵组

1005 压力表

1006 二级过滤器

1007 流量控制器

11 脉冲电源

12 整体控制系统电源

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法的原理如下：

将激光加工和喷射液束加工的优点进行有效的结合，利用激光系统2产生的激光束以喷射装置8喷射的液束作为介质在工件上进行大长径比微纳结构的加工，激光加工的作用是去除材料，喷射液束加工的作用是对加工区域“在线”消除激光加工过程中产生的再铸层、微裂纹及残余应力。由于激光加工属于气化的加工，虽然基本消除了热影响区，但是表面仍然存在微裂纹，在激光加工的基础上再结合喷射液束加工，可以完全消除加工的微裂纹，实现发动机叶片气膜孔的高质高效加工，同时还可以扩展应用到发动机燃烧室部件上的异形孔、簸箕孔的加工，以及发动机、燃气轮机进气机匣、低压压气机和整流涡轮导向器上安装叶片用的叶形孔等的精密加工。本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法及装置可以有效地减少涡轮重要部件气膜孔的再熔层厚度，对保证发动机、燃气轮机的质量有重大意义，为新一代战机航空发动机、舰船燃气轮机的研制提供技术支撑。

如图1所示，本发明的激光复合喷射液束的微纳加工装置包括激光脉冲序列调节器1、激光系统2、激光束调整系统3、可见光透射激光反射镜4、激光束与喷射液束同轴观测调控系统5、聚焦镜6、调控装置7、喷射装置8、微纳工作台9、喷射液过滤循环系统10、脉冲电源11和整体控制系统电源12。

所述激光系统2优选为飞秒激光系统。

所述激光脉冲序列调控器1与激光系统2连接，用于调整激光系统2发出的激光序列，使之能够随着试验条件变化改变激光参数，获得最佳实验结果。

所述激光系统2产生的激光经过激光束调整系统3后到达可见光透射激光反射镜4。

所述激光束与喷射液束同轴调控系统5可以实现X、Y、Z轴三个方向的位置微调，其包括调节镜501、滤光镜502、刻度标尺镜503和CCD摄像机504。

所述调控装置7中心设有通孔，调控装置7与喷射装置8固定连接，用于调整喷射装置8的位置，调控装置7与喷射装置8之间设有阻尼块。

所述喷射装置8整体为轴对称结构，可以保证喷射装置8出口附近区域的流速在轴向上保持一致，包括玻璃窗口801、喷嘴802、喷射液束803，玻璃窗口801布置于喷射装置8的壳体上，，喷嘴802布置于喷射装置8壳体的内部，喷嘴802喷出喷射液束803。喷射液束803优选为电解溶液，电解溶液为酸性或中性溶液，浓度为5％-30％，介质为蒸馏水或者去离子水，电解作用在激光产生的高温条件下效果更佳显著，使得加工区域的电化学阳极溶解更为高效，产生电化学阳极溶解反应。此外，考虑到液束压力较高，并且为酸性或中性电解液，因此喷射装置8的结构具有耐压性和耐腐蚀性，喷射装置8整体的材质为耐腐蚀不锈钢；为了保证激光透光性和耐压强度，玻璃窗口801的材质为光学玻璃，优选为红宝石玻璃；喷嘴802的材质为宝石或金刚石。

所述微纳工作台9包括夹具901和工作台面902，夹具901布置于工作台面902上，微纳工作台9能够实现工件9在X、Y、Z轴三个方向的高精度定位，夹具901倾斜布置，可使工件具有沿圆周方向的倾斜角度地被加工，所述倾斜角度为12-72°。此外，工作台面901和夹具902经过防腐蚀及绝缘处理，防止在进行复合加工过程中发生锈蚀以及带电的潜在危险。

所述CCD摄像机504、刻度标尺镜503、滤光镜502、调节镜501、可见光透射激光反射镜4、聚焦镜6、调控装置7、喷嘴802、夹具901和工作台面902从上至下依次布置且具有同一竖向中心线。

所述喷射液过滤循环系统10包括喷射液箱1001、一级过滤器1002、蓄能器1003、泵组1004、压力表1005、二级过滤器1006和流量控制器1007，喷射液箱1001通过管路依次与泵组1004、一级过滤器1002、蓄能器1003和二级过滤器1006连接，并进一步与喷射装置8的喷嘴802连接，管路上还设有压力表1005和流量控制器1007，其中，压力表1005用于实现工作压力的实时监控，蓄能器1003用于防止高压损坏喷射液过滤循环系统10中的泵组1004以及整体系统控制电源12中的变频器。喷射液箱1001通过管路还与微纳工作台9连接，以便回收喷射液。此外，本发明的激光复合喷射液束的微纳加工装置采用两级过滤，分为一级过滤器1002和二级过滤器1006对喷射液进行过滤，这样既避免了杂质堵塞喷嘴802，又减少了因喷射液束803中的杂质引起的激光能量损失。

所述脉冲电源11与喷射装置8的喷嘴801连接，所述脉冲电源11优先为纳秒级脉冲电源，纳秒级脉冲电源的电流效率的非线性特性得到增强，使得阳极工件溶解的定域性提高，加工精度也得到提高；脉冲电源11中设有电流表，用于测量电解加工电流。

所述激光脉冲序列调节器1、激光系统2、激光束与喷射液束同轴观测调控系统5、微纳工作台9、喷射液过滤循环系统10、脉冲电源11均与整体控制系统电源12电连接。

本发明的激光复合喷射液束的微纳加工方法包括如下步骤：

1)装置检测：包括电路检测、光路检测、喷射液过滤循环系统检测，具体操作如下：

电路检测：检查并确保激光系统2、激光脉冲序列调控器1、激光束与喷射液束同轴观测调控系统5、喷射装置8、喷射液过滤循环系统10、微纳工作台9与整体系统控制电源12连接正常，不存在短路的隐患；

光路检测：打开激光系统2，将检测件放置于微纳工作台9上，预先加工检测件，确认激光光路顺畅后，将检测件从微纳工作台9上取下；

喷射液过滤循环系统检测：将蒸馏水加入到喷射液过滤循环系统10中，打开喷射液过滤循环系统10，确认管路流畅，喷射液过滤循环系统10正常工作；再加入喷射液，开启喷射液过滤循环系统10的泵组1004后排除管路内剩余的蒸馏水；

2)激光束与喷射液束同轴观测调控：通过激光束与喷射液束同轴观测调控系统5将激光束和喷射液束调节为同轴，具体步骤如下：

将调节件放置于喷射装置8的上方，打开激光系统2，激光系统2产生的激光束经过可见光透射激光反射镜4反射到达聚焦镜6，并进一步打在调节件表面形成通孔，近似认为通孔中心即为激光焦点中心；调节CCD相机504的屏幕十字线的中心点对准通孔的中心，如图2所示，此时CCD相机504的屏幕十字线的中心点即为激光焦点中心，移开调节件；开启喷射液过滤循环系统10中的泵组1004，调节喷射液压，使得喷射液束稳定，调节Z轴方向使得激光焦点中心和喷嘴801的上表面共面，如图3所示；再以CCD相机504的屏幕十字线的中心点为基准调节调控装置7，校准喷射液束中心；

3)复合加工：调节激光系统2的激光加工参数、喷射液过滤循环系统10的加工喷射液压及脉冲电源11的脉冲和电压参数；通过调整夹具901将工件以待加工姿态固定在工作台面902上，对工件进行激光复合喷射液束的微纳加工。

Claims (13)

1.一种激光复合喷射液束的微纳加工装置，其特征在于：

所述微纳加工装置包括激光脉冲序列调节器(1)、激光系统(2)、激光束调整系统(3)、可见光透射激光反射镜(4)、激光束与喷射液束同轴观测调控系统(5)、聚焦镜(6)、调控装置(7)、喷射装置(8)、微纳工作台(9)、喷射液过滤循环系统(10)、脉冲电源(11)和整体控制系统电源(12)，其中，

所述激光脉冲序列调控器(1)与激光系统(2)连接；

所述激光系统(2)产生的激光经过激光束调整系统(3)后到达可见光透射激光反射镜(4)；

所述激光束与喷射液束同轴调控系统(5)包括调节镜(501)、滤光镜(502)、刻度标尺镜(503)和CCD摄像机(504)；

所述调控装置(7)中心设有通孔，调控装置(7)与喷射装置(8)固定连接；

所述喷射装置(8)包括玻璃窗口(801)、喷嘴(802)、喷射液束(803)，玻璃窗口(801)布置于喷射装置(8)的壳体上，喷嘴(802)布置于喷射装置(8)壳体的内部，喷嘴(802)喷出喷射液束(803)，所述微纳工作台(9)包括夹具(901)和工作台面(902)，夹具(901)布置于工作台面(902)上；

所述CCD摄像机(504)、刻度标尺镜(503)、滤光镜(502)、调节镜(501)、可见光透射激光反射镜(4)、聚焦镜(6)、调控装置(7)、喷嘴(802)、夹具(901)和工作台面(902)从上至下依次布置且具有同一竖向中心线；

所述喷射液过滤循环系统(10)包括喷射液箱(1001)、一级过滤器(1002)、蓄能器(1003)、泵组(1004)、压力表(1005)、二级过滤器(1006)和流量控制器(1007)，喷射液箱(1001)通过管路依次与泵组(1004)、一级过滤器(1002)、蓄能器(1003)和二级过滤器(1006)连接，并进一步与喷射装置(8)的喷嘴(802)连接，管路上还设有压力表(1005)和流量控制器(1007)，喷射液箱(1001)通过管路还与微纳工作台(9)连接；

所述脉冲电源(11)与喷射装置(8)的喷嘴(801)连接；

所述激光脉冲序列调节器(1)、激光系统(2)、激光束与喷射液束同轴观测调控系统(5)、微纳工作台(9)、喷射液过滤循环系统(10)、脉冲电源(11)均与整体控制系统电源(12)电连接。

2.根据权利要求1所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置，其特征在于：

所述激光系统(2)为飞秒激光系统。

3.根据权利要求1所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置，其特征在于：

所述喷射液束(803)为电解溶液，所述电解溶液为酸性或中性溶液，浓度为5％-30％，介质为蒸馏水或者去离子水。

4.根据权利要求1所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置，其特征在于：

所述喷射装置(8)整体的材质为耐腐蚀不锈钢；玻璃窗口(801)的材质为光学玻璃；喷嘴(802)的材质为宝石或金刚石。

5.根据权利要求1所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置，其特征在于：

所述夹具(901)倾斜布置，倾斜角度为12-72°；所述工作台面(901)和夹具(902)经过防腐蚀及绝缘处理。

6.根据权利要求1所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置，其特征在于：

所述脉冲电源(11)为纳秒级脉冲电源。

7.采用根据权利要求1-6任一项所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置的激光复合喷射液束的的微纳加工方法，其特征在于：

该微纳加工方法是利用激光系统(2)产生的激光束以喷射装置(8)产生的喷射液束作为介质在工件上进行微纳加工。

8.根据权利要求7所述的激光复合喷射液束的微纳加工方法，其特征在于：

包括如下步骤：

1)装置检测：包括电路检测、光路检测、喷射液过滤循环系统检测；

2)激光束与喷射液束同轴观测调控：通过激光束与喷射液束同轴观测调控系统(5)将激光束和喷射液束调节为同轴，具体步骤如下：

将调节件放置于喷射装置(8)的上方，打开激光系统(2)，激光系统(2)产生的激光束经过可见光透射激光反射镜(4)反射到达聚焦镜(6)，并进一步打在调节件表面形成通孔，即为激光焦点中心；调节CCD相机(504)的屏幕十字线的中心点对准通孔的中心，此时CCD相机(504)的屏幕十字线的中心点即为激光焦点中心，移开调节件；开启喷射液过滤循环系统(10)中的泵组(1004)，调节喷射液压，使得喷射液束稳定，调节Z轴方向使得激光焦点中心和喷嘴(801)的上表面共面；再以CCD相机(504)的屏幕十字线的中心点为基准调节调控装置(7)，校准喷射液束中心；

3)复合加工：调节激光系统(2)的激光加工参数、喷射液过滤循环系统(10)的加工喷射液压及脉冲电源(11)的脉冲和电压参数；通过调整夹具(901)将工件以待加工姿态固定在工作台面(902)上，对工件进行激光复合喷射液束的微纳加工。

9.根据权利要求8所述的激光复合喷射液束的微纳加工方法，其特征在于：

所述装置检测的具体操作如下：

电路检测：检查并确保激光系统(2)、激光脉冲序列调控器(1)、激光束与喷射液束同轴观测调控系统(5)、喷射装置(8)、喷射液过滤循环系统(10)、微纳工作台(9)与整体系统控制电源(12)连接正常，不存在短路的隐患；

光路检测：打开激光系统(2)，将检测件放置于微纳工作台(9)上，预先加工检测件，确认激光光路顺畅后，将检测件从微纳工作台(9)上取下；

喷射液过滤循环系统检测：将蒸馏水加入到喷射液过滤循环系统(10)中，打开喷射液过滤循环系统(10)，确认管路流畅，喷射液过滤循环系统(10)正常工作；再加入喷射液，开启喷射液过滤循环系统(10)的泵组(1004)后排除管路内剩余的蒸馏水。

10.根据权利要求1-6任一项所述的激光复合喷射液束的微纳加工装置在加工微孔中的应用。

11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于：

所述微孔为发动机叶片气膜孔，所述微孔的长径比最大可达20:1。

12.根据权利要求7-9任一项所述的激光复合喷射液束的微纳加工方法在微孔中的应用。

13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于：

所述微孔为发动机叶片气膜孔，所述微孔的长径比最大可达20:1。