[發(fā)明專利]一種雙激光系統(tǒng)打孔方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410251135.5
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN104043906A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴峰澤;張永康
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382
• 代理公司: 江蘇縱聯(lián)律師事務(wù)所 32253
• 代理人: 蔡棟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光打孔方法。

技術(shù)背景

激光打孔技術(shù)是激光在材料加工領(lǐng)域最早的應(yīng)用技術(shù)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。

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(yīng)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(guān)鍵零部件中，如激光加工技術(shù)應(yīng)用于加工航空發(fā)動機(jī)上高達(dá)10⁴個冷卻孔。當(dāng)需要對中厚板（厚度大于數(shù)個mm的板）進(jìn)行激光打孔時，由于高功率密度短脈沖打孔的效率極低（如納秒激光器和飛秒激光器），通常采用低功率密度的脈沖激光進(jìn)行打孔（功率密度通常為10⁵W/cm²~10⁶W/cm²）。

但是，現(xiàn)有的低功率密度脈沖激光打孔技術(shù)存在以下幾個技術(shù)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(shù)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(dá)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(dǎo)致孔不再向深度方向發(fā)展。孔底高溫的熔融材料一旦難以排出孔外，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。

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(dāng)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(jié)構(gòu)較疏松，是微裂紋產(chǎn)生的源頭。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種雙激光系統(tǒng)打孔方法，以加快打孔速度，提高打孔質(zhì)量。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明基于激光沖擊波理論，將高功率密度納秒激光作用于低功率密度激光器產(chǎn)生的蒸汽和等離子體，產(chǎn)生等離子爆炸，等離子爆炸產(chǎn)生的向內(nèi)部傳播的高壓沖擊波快速擠壓熔池，使熔融材料以極快的速度濺射出孔外，最終熔池變成孔穴，具體技術(shù)方案如下：

一種雙激光系統(tǒng)打孔方法，其特征在于包括以下步驟：?

步驟一，使低功率密度脈沖激光(1)和高功率密度脈沖激光(2)的中心與孔的中心在同一直線上；

步驟二，設(shè)置激光參數(shù)，使低功率密度脈沖激光(1)參數(shù)和高功率密度脈沖激光(2)參數(shù)滿足加工要求；所述低功率密度脈沖激光(1)的參數(shù)包括激光功率、激光脈寬、激光頻率和工件表面(3)的離焦量；所述高功率密度脈沖激光(2)的參數(shù)包括激光能量、脈沖寬度、激光頻率；

步驟三，使低功率密度脈沖激光(1)作用于工件(3)表面產(chǎn)生熔池(8)，同時，熔池上方產(chǎn)生蒸汽和等離子體(6)；在低功率密度脈沖激光(1)作用即將結(jié)束時，使高功率密度脈沖激光(2)輻照在低功率密度脈沖激光(1)產(chǎn)生的蒸汽和等離子體(6)上，蒸汽和等離子體(6)繼續(xù)吸收高功率密度脈沖激光(2)的能量產(chǎn)生等離子體爆炸，等離子體爆炸形成向孔內(nèi)部傳播的沖擊波(7)和向孔外部傳播的沖擊波(5)；向孔內(nèi)部傳播的沖擊波(7)擠壓熔池(8)，使熔池(8)內(nèi)的熔融材料以更快的速度沿孔壁(4)噴濺出孔外形成孔穴；重復(fù)上述過程，直至孔深達(dá)到要求。

所述低功率密度脈沖激光的功率密度為10⁵W/cm²~10⁶W/cm²，激光脈寬為100ns~20ms，激光頻率為10~200Hz，工件離焦量為2~-5mm。

所述高功率密度脈沖激光(2)的功率密度為10⁹W/cm²~10¹⁰W/cm²，脈沖寬度為5~30ns，激光重復(fù)頻率為10~200Hz。