CN109048088B - 一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法及装置，涉及激光加工领域，其加工方法为(1)将工件装夹在工件夹具上面；(2)通过机床的定位系统对工件进行对刀；(3)激光开始打孔；(4)当材料被打穿时，激光头停止出激光，激光头绕旋转轴旋转90°，使得等离子体射流喷嘴正对着孔的位置，此时给等离子体射流装置通上交流高压电源；该装置包括激光器、电源箱、激光头、CCD摄像机、导光管、x‑y移动平台、z方向移动机构、工件夹具、等离子体射流装置；本发明将长脉冲激光打孔和等离子体射流表面处理技术相结合，可清洗微孔内壁熔渣、内壁的性能改变，有效地提高了微孔的质量，解决了激光打孔后孔口表面飞溅物去除的问题。

Description

一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法及装置

技术领域

本发明涉及利用激光微孔加工领域，具体涉及到一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法及装置。

背景技术

等离子体(Plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。

对于低气压放电，由于气体的密度较低，电子与中性粒子的碰撞频率也比较低，因此电子在电场的作用下比较容易获得较高的能量。这就使得电离较为容易发生，导致在低气压条件下比较容易获得较高密度的等离子体，此时活性粒子的浓度也相对较高，同时还能保证气体的温度保持在较低的水平。这就使得低气压非平衡等离子体在工业中具有广泛的应用，如等离子体刻蚀、材料表面改性与清洗、改善材料的生物兼容性、生成纳米材料等。此外，在低气压下比较容易产生均匀的等离子体，这对于许多应用，如表面改性、刻蚀等是至关重要的。然而，低气压下产生等离子体具有一个致命的缺点，即真空系统是不可避免的。这就使得低气压等离子体只能用于那些具有高附加值且适合于真空条件下的应用。

为了克服上述缺点，近年来研究者研制出了大气压非平衡等离子体射流。由于大气压非平衡等离子体射流能够在开放的空间、而不是在间隙内产生大气压非平衡等离子体，这就使得在大气压下就能实现等离子体和激光的复合加工过程。

目前激光打孔技术已经被应用到了汽车工业、船舶制造、航空航天、仪器仪表以及医疗技术等诸多行业之中。比起传统机械钻孔的方法，激光打孔技术具有精度高、速度快、效率高、经济效益好、无刀具损耗、深径比大等优点,已经成为激光加工的主要应用领域之一。但是针对高精密的仪器上打孔，需要打出高质量的群孔，例如航空发动机涡轮叶片，不仅对涡轮叶片的基体要有耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能要求，而且对涡轮叶片上的气膜冷却孔的质量也要求很高，孔的质量除了锥度、圆度来评价，孔内壁的质量也很重要，孔壁会有重铸层、微裂纹、熔渣等问题，此外孔口上表面附近会有很多熔渣飞溅物，一旦凝固之后再去除就比较麻烦。

发明内容

本发明的针对上述激光微孔加工技术的不足，提出一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法，该方法是将激光打孔与等离子体射流加工微孔相结合，当激光作用在材料上，瞬间完成激光打孔的过程，此时立刻旋转激光头90度，使得等离子体射流装置的喷嘴正好对准微孔上孔口，通上交流高压电源，并通上一定流速的氮气，产生等离子体射流，等离子体射流作用在微孔孔口上以及内壁上，孔口的熔渣会被去除掉，孔口附近也会变得很光整，同时内壁上由于激光作用后未喷出熔融物在等离子体射流的作用下也会被去除掉，选用氮气作为工作气体，氮气等离子体射流在清洗微孔内壁熔渣的同时还可以对内壁的性能有所改变，如提高材料的硬度和耐磨性等，有效地提高了微孔的质量。同时本发明还提供了一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，包括电源箱、工件夹具、激光头、导光管、CCD摄像机、激光器、旋转轴、z方向移动机构、x-y移动平台、等离子体射流装置、氮气罐、激光头辅助气体罐；

所述电源箱安装在机床底座的左侧，机床的底座上面为x-y移动平台，在x-y移动平台上安装了工件夹具；

所述激光器安装在Z方向移动机构上，激光器通过导光管与激光头相连接，所述激光头包括反射平面镜和聚焦透镜，激光头的正上方上安装有CCD摄像机；

所述的激光头是通过旋转轴与z方向移动机构相连接，所述等离子体射流装置是安装在激光头上的。

所述x-y移动工作台包括工作台、y方向的导轨、丝杠支撑架、联轴器、第一伺服电机、第一电机支撑块、y方向的导轨支撑架、y方向的丝杠、x方向的底板、x方向的导轨支撑架、第二伺服电机、x方向的导轨、第二电机支撑块、x方向的丝杠和y方向的底板；

所述x-y移动工作台的最下方为x方向的底板，x方向的底板上设置有x方向的丝杠，x方向的丝杠通过联轴器与第二伺服电机相连接，第二伺服电机通过第二电机支撑块来支撑，x方向的底板上表面上平行于x方向的丝杠的左右两侧平行设置有x方向的导轨，y方向的底板下表面可沿x方向的导轨滑动，y方向的底板上表面通过丝杠支撑架支撑y方向的丝杠，所述y方向的丝杠通过联轴器与第一伺服电机相连接，第一伺服电机通过第一电机支撑块支撑，y方向的底板的上表面上平行于y方向的丝杠的左右两侧平行方向上设置有y方向的导轨，y方向的导轨上连接有工作台。

优选的，所述激光头与等离子体射流装置成90度，激光头、等离子体射流装置和旋转轴，这三个的轴线交于一点，可以绕旋转轴旋转90度，这样可以迅速切换激光头和等离子体射流装置位置，以便在激光打孔后，立刻进行等离子体射流处理。

优选的，所述等离子体射流装置包括交流高压电源、两个圆形铝片、电介质片、特氟龙管、高压软管，两个电极铝片由一个圆形的电介质片隔开。

优选的，所述的等离子体射流装置是通过高压软管以及气体流量控制器与氮气罐相连接。

优选的，所述的两个圆形铝片，它们的直径都为20mm，厚度为3mm，这两个铝片的电极的中心有一个直径500μm的圆孔；所述的电介质片的厚度为1.5mm，它的中心也有一个直径为500μm的圆孔。

优选的，所述等离子体射流装置接的是交流高压电源，且电源频率的大小是可调的。

优选的，所述等离子体射流装置采用的工作气体为氮气，氮气的流速是通过气体流量控制器来调节，这样可以根据材料不同深度的孔来调节等离子体射流的长度，以满足不同的加工要求。

一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法，包括如下步骤：

步骤1：将工件装夹在夹具上面。

步骤2：通过机床的定位系统对工件进行对刀。

步骤3：激光开始打孔，当激光头向下移动，使得激光焦点聚集在材料的表面上时，打开激光器的泵浦，此时z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，使得焦点始终作用在材料的表面上。

步骤4：当材料被打穿时，激光头停止出激光，激光头绕旋转轴旋转90°，使得等离子体射流喷嘴正对着孔的位置，此时给等离子体射流装置通上交流高压电源，同时通入高速流速的氮气，使得喷嘴喷出等离子体射流，射流射入微孔之内，作用在微孔的孔壁上和孔口上表面，改善孔口以及孔壁的质量。

本发明的具有益效果是：

一、本发明通过激光微孔加工和氮气等离子射流复合加工，等离子体射流作用在微孔内壁上，附着在内壁上的熔融物会等离子体射流的作用下被去除，选用氮气作为工作气体，氮气等离子体射流在清洗微孔内壁熔渣的同时还可以对内壁的性能有所改变，如提高材料的硬度和耐磨性等，有效地提高了微孔的质量。

二、本发明通过在激光加工中心的激光头上集成了微等离子体射流装置，这样可以使得微孔加工非常迅速且方便，使得加工效率得以很大的提高。

三、本发明中由于当长脉冲激光作用在材料上后，材料吸收激光的能量，产生气化和熔化的过程，最终形成小孔，材料在熔化过程会在孔口附近喷溅熔融物，形成熔渣，所以通常材料在激光加工后是要进行二次处理来去除表面的熔渣，且表面熔融物凝固硬化粘附在材料的表面比较难去除，然而这种等离子体射流喷射在孔口上，可以解决激光打孔后孔口表面飞溅物去除的问题。

附图说明

图1为一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法及装置的结构示意图；

图2为本发明图1中涉及到的氮气等离子体射流装置的工作原理图；

图3为本发明图1中涉及到的x-y移动工作台的结构示意图；

图4为激光头的内部光路图。

附图标记如下：

电源箱1、工件夹具2、激光头3、导光管4、CCD摄像机5、激光器6、旋转轴7、z方向移动机构8、x-y移动平台9、等离子体射流装置10、氮气罐11、激光头辅助气体罐12、平面反射镜3.1、聚焦透镜3.2、工作台9.1、y方向的导轨9.2、丝杠支撑架9.3、联轴器9.4、第一伺服电机9.5、第一电机支撑块9.6、y方向的导轨支撑架9.7、y方向的丝杠9.8、x方向的底板9.9、x方向的导轨支撑架9.10、第二伺服电机9.11、x方向的导轨9.12、第二电机支撑块9.13、x方向的丝杠9.14、y方向的底板9.15、交流高压电源10.1、第一圆形铝片10.2、第二圆形铝片10.3、电介质片10.5、特氟龙管10.6、高压软管10.7、气体流量控制器10.8。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明的实施细节,下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

结合附图1，一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，电源箱1、工件夹具2、激光头3、导光管4、CCD摄像机5、激光器6、旋转轴7、z方向移动机构8、x-y移动平台9、等离子体射流装置10、氮气罐11、激光头辅助气体罐12；

所述激光头3、等离子体射流装置10一起绕旋转轴7旋转90°。顺时针旋转90°时，等离子体射流装置10垂直向下，逆时针旋转90°，激光头3、垂直向下。

通过数控程序可以控制旋转轴7顺时针、逆时针旋转，以便来回迅速切换激光头3和等离子体射流装置10的位置可在激光打孔后，立刻进行等离子体射流处理；可以迅速切换激光头3和等离子体射流装置10的位置，可在激光打孔后，立刻进行等离子体射流处理。

所述电源箱1安装在机床底座的左侧，机床的底座上面为x-y移动平台9，在x-y移动平台9上安装了工件夹具2。

结合附图2，所述等离子体射流装置10包括交流高压电源10.1、两个圆形铝片10.2、10.3、电介质片10.5、特氟龙管10.6、高压软管10.7、气体流量控制器10.8，两个电极铝片由一个圆形的电介质片10.5隔开；

所述的等离子体射流装置10是通过高压软管10.7以及气体流量控制器10.8与氮气罐11相连接；

所述的两个圆形铝片，它们的直径都为20mm，厚度为3mm，这两个铝片的电极的中心有一个直径500μm的圆孔；所述的电介质片10.5的厚度为1.5mm，它的中心也有一个直径为500μm的圆孔。

结合附图3，所述x-y移动工作台包括工作台9.1、y方向的导轨9.2、丝杠支撑架9.3、联轴器9.4、第一伺服电机9.5、第一电机支撑块9.6、y方向的导轨支撑架9.7、y方向的丝杠9.8、x方向的底板9.9、x方向的导轨支撑架9.10、第二伺服电机9.11、x方向的导轨9.12、第二电机支撑块9.13、x方向的丝杠9.14、y方向的底板9.15；通过电机带动联轴器转动，联轴器带动丝杠转动，从而实现了工作台在x-y方向上的移动。

结合附图1和4，所述激光器6安装在z方向移动机构8上，激光器6通过导光管4与激光头3相连接，所述激光头3包括反射平面镜3.1和聚焦透镜3.2，激光头的3正上方上安装有CCD摄像机5。

所述激光头3与等离子体射流装置10成90°，激光头3、等离子体射流装置10和旋转轴7，这三个的轴线交于一点，可以绕旋转轴7旋转90度，这样可以迅速切换激光头3和等离子体射流装置10的位置，以便在激光打孔后，立刻进行等离子体射流处理。

所述等离子体射流装置10接的是交流高压电源10.1，且电源频率的大小是可调的。

所述等离子体射流装置10采用的工作气体为氮气，氮气的流速是通过气体流量控制器来调节，这样可以根据材料不同深度的孔来调节等离子体射流的长度，以满足不同的加工要求。

本发明提供的一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法，具体包括如下步骤：

步骤一：将工件装夹在工件夹具2上面；

步骤二：通过机床的定位系统对工件进行对刀；

步骤三：激光开始打孔，当激光头3向下移动，使得激光焦点聚集在材料的表面上时，打开激光器的泵浦，此时z方向移动机构8开始以一定的速度向下进给，使得焦点始终作用在材料的表面上。

步骤四：当材料被打穿时，激光头3停止出激光，激光头3绕旋转轴8旋转90度，使得等离子体射流喷嘴正对着孔的位置，此时给等离子体射流装置10通上交流高压电源，同时通入一定流速的氮气，使得喷嘴喷出等离子体射流，射流射入微孔之内，作用在微孔的孔壁上和孔口上表面，改善孔口以及孔壁的质量。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，包括电源箱(1)、工件夹具(2)、激光头(3)、导光管(4)、CCD摄像机(5)、激光器(6)、旋转轴(7)、z方向移动机构(8)、x-y移动平台(9)和等离子体射流装置(10)；

所述电源箱(1)安装在机床底座的左侧，机床的底座上面为x-y移动平台(9)，在x-y移动平台(9)上安装有工件夹具(2)；

所述激光器(6)安装在Z方向移动机构(8)上，激光器(6)通过导光管(4)与激光头(3)相连接，所述激光头(3)包括反射平面镜(3.1)和聚焦透镜(3.2)，激光头(3)正上方安装有CCD摄像机(5)；

所述激光头(3)通过旋转轴(7)与z方向移动机构(8)相连接，所述等离子体射流装置(10)安装在激光头(3)上，且两者之间的轴线呈90°。

2.根据权利要求1所述的长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，所述激光头(3)、等离子体射流装置(10)和旋转轴(7)的轴线交于一点，所述激光头(3)、等离子体射流装置(10)均可绕旋转轴(7)旋转90°。

3.根据权利要求1所述的长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，所述等离子体射流装置(10)包括交流高压电源(10.1)、第一圆形铝片(10.2)、第二圆形铝片(10.3)、电介质片(10.5)、特氟龙管(10.6)、高压软管(10.7)和气体流量控制器(10.8)；第一圆形铝片(10.2)、第二圆形铝片(10.3)由一个圆形的电介质片(10.5)隔开。

4.根据权利要求1所述的长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，所述的等离子体射流装置(10)是通过高压软管(10.7)、气体流量控制器(10.8)与氮气罐(11)相连接。

5.根据权利要求3所述的长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，第一圆形铝片(10.2)、第二圆形铝片(10.3)直径均为20mm，厚度为3mm，第一圆形铝片(10.2)、第二圆形铝片(10.3)的电极的中心有一个直径500μm的圆孔；所述的电介质片(10.5)的厚度为1.5mm，其的中心开设有一个直径为500μm的圆孔。

6.根据权利要求1所述的长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，所述等离子体射流装置(10)连接有交流高压电源(10.1)，且电源频率的大小是可调的。

7.根据权利要求1所述的长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的装置，其特征在于，所述等离子体射流装置(10)采用的工作气体为氮气，氮气的流速是通过气体流量控制器来调节，可以根据材料不同深度的孔来调节等离子体射流的长度，以满足不同的加工要求。

8.一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将工件装夹在工件夹具(2)上面；

步骤2：通过机床的定位系统对工件进行对刀；

步骤3：激光开始打孔，当激光头(3)向下移动，使得激光焦点聚集在材料的表面上时，打开激光器(6)的泵浦，此时z方向移动机构(8)开始以一定的速度向下进给，使得焦点始终作用在材料的表面上；

步骤4：当材料被打穿时，激光头(3)停止出激光，激光头(3)绕旋转轴(7)旋转90°，使得等离子体射流喷嘴正对着孔的位置，此时给等离子体射流装置(10)通上交流高压电源(10.1)，同时通入一定流速的氮气，使得喷嘴喷出等离子体射流，射流射入微孔之内，作用在微孔的孔壁上和孔口上表面，改善孔口以及孔壁的质量。

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