[發(fā)明專利]一種同軸超聲輔助超快激光制孔單元及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210369096.3
• 申請(qǐng)日: 2022-04-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114833471B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董志剛;康仁科;弓展;楊峰;馬廣義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/382
• 分類號(hào): B23K26/382;B23K26/064;B23K26/70
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 修睿;李洪福

1.一種同軸超聲輔助超快激光制孔單元，其特征在于，包括超快激光器、激光導(dǎo)入機(jī)構(gòu)、成像機(jī)構(gòu)、超聲電源和超聲能量傳輸單元，所述超快激光器輸出的光束射入激光導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，所述激光導(dǎo)入機(jī)構(gòu)將其導(dǎo)入超聲能量傳輸單元中，所述超聲能量傳輸單元與超聲電源相連，所述超聲能量傳輸單元為容納激光通過(guò)的中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)有超聲傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，所述超聲能量傳輸單元的輸出端連接有激光頭，所述激光頭的輸出端能夠產(chǎn)生軸向的超聲振動(dòng)，所述成像機(jī)構(gòu)用于基于經(jīng)過(guò)超聲能量傳輸單元接觸到工件表面返回的光實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)刀；

所述超聲能量傳輸單元包括前壓緊端蓋、后壓緊端蓋、壓電陶瓷片、電極片、導(dǎo)線和變幅桿，所述前壓緊端蓋和后壓緊端蓋均為同軸中空結(jié)構(gòu)，前、后壓緊端蓋分別通過(guò)預(yù)緊螺釘固定壓緊壓電陶瓷，壓電陶瓷之間夾有電極片且電極片終端均由導(dǎo)線與接線柱連接，所述壓電陶瓷和電極片均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷套在后壓緊端蓋內(nèi)壁上并由前壓緊端蓋壓緊；

所述變幅桿為空心階梯結(jié)構(gòu)，變幅桿輸入端設(shè)有內(nèi)螺紋，中心通孔處設(shè)有用于放置窗口片的圓形鍵槽，變幅桿輸出端同樣設(shè)有內(nèi)螺紋；

激光頭殼體和設(shè)置在其中的聚焦透鏡、聚焦透鏡壓環(huán)、聚焦透鏡轉(zhuǎn)接環(huán)，激光頭殼體內(nèi)部為空心錐形結(jié)構(gòu)，激光頭上端設(shè)有外螺紋與變幅桿輸出端的內(nèi)螺紋連接，所述聚焦透鏡壓環(huán)將聚焦透鏡固定在聚焦透鏡轉(zhuǎn)接環(huán)上，所述聚焦透鏡轉(zhuǎn)接環(huán)安裝在激光頭殼體內(nèi)部；

所述超快激光器產(chǎn)生超快激光包括皮秒激光、飛秒激光，其脈寬范圍為5?fs-10?ps；

所述成像機(jī)構(gòu)包括CCD攝像機(jī)和環(huán)形LED燈，自然光在環(huán)形LED燈照射下射入到被加工工件，反射光經(jīng)過(guò)二向色鏡，傳入CCD攝像機(jī)，根據(jù)拍攝到的圖像調(diào)控光學(xué)元器件，使得光斑直徑最小處位于工件表面，此時(shí)為工件坐標(biāo)Z軸零點(diǎn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同軸超聲輔助超快激光制孔單元，其特征在于，所述激光導(dǎo)入機(jī)構(gòu)包括二向色鏡和用于夾持所述二向色鏡的二向色鏡裝夾單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同軸超聲輔助超快激光制孔單元，其特征在于，所述二向色鏡裝夾單元內(nèi)部為正方體空腔結(jié)構(gòu)，上端設(shè)有方形凹槽放置窗口片，側(cè)方設(shè)有供超快激光器照射的開(kāi)口，二向色鏡固定在二向色鏡裝夾單元內(nèi)部，所述二向色鏡裝夾單元的下端由定位稍固定并與超聲能量傳輸單元的輸入端相連。

4.一種權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述同軸超聲輔助超快激光制孔單元的制孔方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：將工件裝夾在超聲輔助超快激光制孔單元平臺(tái)上；

步驟二：?jiǎn)?dòng)CCD攝像機(jī)，待加工工件的圖像呈現(xiàn)后，定位需要加工的位置，通過(guò)調(diào)整激光束聚集光斑與工件的位置，在CCD的成像中找到最小光斑位置，此時(shí)確定為工件Z軸坐標(biāo)原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)刀；

步驟三：?jiǎn)?dòng)超聲電源，超聲電源產(chǎn)生超聲頻率的振蕩信號(hào)由接線柱傳遞給壓電陶瓷，壓電陶瓷將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)由后壓緊端蓋螺紋外殼傳遞給變幅桿，機(jī)械振幅經(jīng)變幅桿的放大后，由變幅桿內(nèi)螺紋殼傳遞給激光頭中的聚焦透鏡，使聚焦透鏡產(chǎn)生軸向的超聲振動(dòng)；

步驟四：?jiǎn)?dòng)超快激光器，使超快激光器產(chǎn)生的激光束在二向色鏡裝夾單元中45°垂直反射進(jìn)入超聲能量傳輸單元中，當(dāng)激光穿過(guò)超聲振動(dòng)的聚焦透鏡后，被聚焦的光斑將以超聲振幅照到工件上，通過(guò)X/Y/Z三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線填充、同心圓填充或螺線掃描軌跡，進(jìn)而完成不同形狀微小孔的高質(zhì)量加工。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，采用同心圓或螺旋軌跡進(jìn)行加工，加工孔直徑范圍在25-1000?μm，最大深徑比大于10:1；加工材料包括鎢合金、鈦合金、鎳合金、硬脆材料和復(fù)合材料。