CN109483060A - 水射流环境下气膜孔超快激光加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水射流环境下气膜孔超快激光加工装置及方法，装置包括：三轴运动工作台***、超快激光器、水射流循环装置、控制***。待加工样件通过特定夹持装置固定在水容器内，水容器固定在三轴运动工作台上，水容器通过排水管和水槽连接；媒介水通过水泵从水槽抽出，经由注水管，从水射流喷嘴流到待加工样件表面；超快激光器发出的激光穿过水射流薄膜聚焦在待加工样件表面进行加工。本发明结合了传统空气及水下激光打孔的优点，既保证了超快激光打孔的加工效率，又减少了待加工样件表面及微孔内壁的微裂纹，消除熔渣堆积和重铸层，提高了样件几何形貌精度。

Description

水射流环境下气膜孔超快激光加工装置及方法
技术领域
本发明涉及超快激光加工技术领域，具体地，涉及一种水射流环境下气膜孔超快激光加工装置及方法，尤其涉及一种水射流环境下带热障涂层叶片气膜孔超快激光加工方法及装置。
背景技术
随着航空航天技术的高速发展，金属材料的单独使用已不能满足在高温环境下的使用要求。例如镍基单晶叶片，需要通过采用气膜冷却结构、表面制备热障涂层等工序，提升涡轮叶片工作温度。在燃气涡轮发动机叶片表面涂覆陶瓷热障涂层(thermal barriercoatings简称TBCs)，能够起到隔热和降低叶片表面温度的效果，当涂层材料、厚度、喷涂工艺等条件一定时，气膜冷却状态将直接影响涂层隔热效果。
因此，目前需要一种针对带热障涂层叶片气膜孔的加工方法，能够提高加工质量的同时兼顾加工效率。如专利文献CN104907649A公开的一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法及装置，利用磨料水射流加工工件表面不导电的热障涂层孔型，待金属基体裸露之后，再利用电火花加工金属基体的孔型；这种方法本质上仍然是对热障涂层和金属材料分别进行制孔处理，无法有效保证开孔处的材料质量，大幅降低性能。
鉴于电火花制孔方法的局限性，采用激光打孔是制备冷却孔道实现气膜冷却的另一可行方法，并且只有激光制孔技术可以实现陶瓷层的加工。研究先涂覆热障涂层再进行激光打孔的技术，对实现热障涂层技术在航空发动机上的广泛应用具有重要意义。
激光加工在气膜孔打孔方面具有很大潜力，早期激光微孔加工多采用长脉冲激光，但存在热影响区大、加工精度差、加工质量差等缺陷，孔的加工过程中会产生较厚的重铸层，其中分布有大量微裂纹，大幅降低涡轮机叶片的服役性能。而相对于长脉冲激光，超快激光在涡轮叶片气膜孔加工上具有显著优势。但不同的加工环境，会对样件的加工质量造成很大的影响。空气环境下打孔存在明显微裂纹和重铸层，真空环境下打孔存在氧空位、晶格扭曲现象，静态水环境下打孔存在水位保持问题和效率低下问题。
如专利文献CN108296633A公开的一种激光水射流加工装置及其应用，，加工装置包括激光发射装置及与其连接的激光头，所述的激光头包括依次同轴连接的喷头、转动盘、分离基座及连接座，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔，该激光通孔与连接座的激光透过孔连通，在喷头内制有第一水流道，在第一水流道上安装水喷头，在转动盘内制有第二水流道，转动盘与分离基座之间的间隙形成第三水流道，在分离基座内制有第四水流道，在分离基座的外壁制有进水口，在连接座内制有多个辅助气体进孔。这一现有技术种的水射流的作用主要在于激光制孔后的快速淬火，虽然能够在一定程度上提升制孔处的材料质量，但仍无法避免微裂纹和重铸层的问题。
综上，提供一种射流环境下带热障涂层叶片气膜孔超快激光加工方法及装置，具有较高的必要性和现实意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水射流环境下气膜孔超快激光加工装置及方法。
根据本发明提供的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，包括三轴运动工作台模块、超快激光器、水射流循环模块以及控制模块；所述超快激光器能够产生超快激光并照射至三轴运动工作台模块的加工位置；所述水射流循环模块与三轴运动工作台模块相连；所述控制模块能够控制超快激光器产生的超快激光。
优选地，所述三轴运动工作台模块包括X轴直线运动子模块、Y轴直线运动子模块、Z轴直线运动子模块以及夹持装置；
所述夹持装置与X轴直线运动子模块、Y轴直线运动子模块以及Z轴直线运动子模块这三者相连，并且能够通过三者实现三维平动；
待加工样件固定在夹持装置上，并且能够随着夹持装置实现三维平动，从而到达加工位置完成超快激光的对焦。
优选地，所述水射流循环模块包括夹持支架、水射流喷嘴、水容器、注水管、水泵、排水管以及水槽；
所述水射流喷嘴固定设置在夹持支架上，且水射流喷射方向指向加工位置；所述水容器固定设置在三轴运动工作台模块的加工位置处，并包围加工位置；所述注水管与水射流喷嘴相连；所述水泵分别与注水管、水槽相连；所述排水管分别与水容器、水槽相连。
优选地，所述加工位置高于水容器内的水平面。
优选地，所述加工位置处于水射流喷嘴冲流形成的薄水膜中心处。
优选地，所述水射流喷嘴包括鸭嘴型喷嘴、圆管型喷嘴以及气孔型喷嘴中任一种或任多种组合。
根据本发明提供的水射流环境下气膜孔超快激光加工方法，利用上述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，包括：
固定步骤：将待加工样件固定在水容器内的加工位置，开启水射流循环模块，在加工位置形成水膜；
激光参数调整步骤：控制模块根据加工材料和加工要求设置超快激光加工工艺参数；
加工步骤：开启超快激光器，超快激光穿过水膜聚焦在待加工样件表面进行加工。
优选地，所述加工步骤还包括如下子步骤：
水膜调节子步骤：根据设定的条件调节水泵转速，使得待加工样件表面水膜达到设定的范围和厚度，水泵转速为300-350rad/min。
优选地，所述固定步骤还包括如下子步骤：
喷嘴调节子步骤：根据待加工样件的形状和表面特性，按照设定的条件，选择鸭嘴型喷嘴、圆管型喷嘴以及气孔型喷嘴中任一种或任多种组合，进行水射流循环。
优选地，利用超快激光的环切实现打孔，扫描路径为四个半径相同的同心圆，圆的切割起始相位角分别为0°、90°、180°、270°，扫描速度为150-170mm/s，扫描次数为500-600次。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置构造简洁，操作方便，可拓展性强；
2、本发明提供的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，实际使用时，待加工位置水膜较薄，减少水对激光的吸收作用，保证超快激光打孔的加工效率；
3、本发明结合了传统空气及水下激光打孔的优点，减少了待加工样件表面及微孔内壁的微裂纹，消除熔渣堆积和重铸层，提高了样件几何形貌精度；
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明水射流环境的带热障涂层叶片气膜孔超快激光打孔装置结构示意图；
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，包括三轴运动工作台模块、超快激光器10、水射流循环模块以及控制模块；所述超快激光器10能够产生超快激光并照射至三轴运动工作台模块的加工位置；所述水射流循环模块与三轴运动工作台模块相连；所述控制模块能够控制超快激光器10产生的超快激光。
优选地，所述三轴运动工作台模块包括X轴直线运动子模块1、Y轴直线运动子模块2、Z轴直线运动子模块3以及夹持装置4；所述夹持装置4与X轴直线运动子模块1、Y轴直线运动子模块2以及Z轴直线运动子模块3这三者相连，并且能够通过三者实现三维平动；待加工样件5固定在夹持装置4上，并且能够随着夹持装置4实现三维平动，从而到达加工位置完成超快激光的对焦。所述水射流循环模块包括夹持支架20、水射流喷嘴21、水容器22、注水管23、水泵24、排水管25以及水槽26；所述水射流喷嘴21固定设置在夹持支架20上，且水射流喷射方向指向加工位置；所述水容器22固定设置在三轴运动工作台模块的加工位置处，并包围加工位置；所述注水管23与水射流喷嘴21相连；所述水泵24分别与注水管23、水槽26相连；所述排水管25分别与水容器22、水槽26相连。所述加工位置高于水容器22内的水平面。所述加工位置处于水射流喷嘴21冲流形成的薄水膜中心处。所述水射流喷嘴21包括鸭嘴型喷嘴、圆管型喷嘴以及气孔型喷嘴中任一种或任多种组合。
根据本发明提供的水射流环境下气膜孔超快激光加工方法，利用上述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，包括：
固定步骤：将待加工样件5固定在水容器22内的加工位置，开启水射流循环模块，在加工位置形成水膜；
激光参数调整步骤：控制模块根据加工材料和加工要求设置超快激光加工工艺参数；
加工步骤：开启超快激光器10，超快激光穿过水膜聚焦在待加工样件表面进行加工。
具体地，所述加工步骤还包括如下子步骤：
水膜调节子步骤：根据设定的条件调节水泵24转速，使得待加工样件5表面水膜达到设定的范围和厚度，水泵转速为300-350rad/min。
喷嘴调节子步骤：根据待加工样件5的形状和表面特性，按照设定的条件，选择鸭嘴型喷嘴、圆管型喷嘴以及气孔型喷嘴中任一种或任多种组合，进行水射流循环。
更具体地，本发明利用超快激光的环切实现打孔，扫描路径为四个半径相同的同心圆，圆的切割起始相位角分别为0°、90°、180°、270°，扫描速度为150-170mm/s，扫描次数为500-600次。
进一步地，本发明的优选技术方案如下：
参见图1，一种水射流环境下带热障涂层叶片气膜孔超快激光加工装置，包括：三轴运动工作台***、超快激光器、水射流循环装置、控制***。待加工样件5通过特定夹持装置4固定在水容器22内，水容器22固定在三轴运动工作台上，水容器22通过排水管25和水槽26连接；媒介水通过水泵24从水槽26抽出，经由注水管23，从水射流喷嘴21流到待加工样件5表面；超快激光器10发出的激光穿过水射流薄膜聚焦在待加工样件表面；通过水泵24的转速控制待加工样件5表面水射流薄膜的厚度；通过控制***的参数设置调节超快激光功率、扫描速度、扫描路径、扫描次数等。
一种水射流环境下带热障涂层叶片气膜孔超快激光加工方法，包括以下步骤：
步骤一，参照图1，将待加工样件5固定在水容器22内，利用水射流循环装置在样件待加工处形成水膜，选用水射流喷嘴为圆管型，水泵转速为300-350rad/min；
步骤二，设置超快激光加工工艺参数，采用环切打孔方式，扫描路径为四个相位角分别为0°、90°、180°、270°的圆，扫描速度为150-170mm/s，扫描次数为500-600次；
步骤三，参照图1，超快激光器10发出的激光穿过水膜聚焦在待加工样件5表面，待加工样件5的加工位置处于水射流喷嘴21冲流形成的中心平稳薄水膜处，加工位置高于水容器22内的水面10mm。
更进一步地，本发明的优势如下：
本发明结合了传统空气及水下激光打孔的优点，解决了超快***膜孔加工过程中产生的孔口及孔壁喷溅物堆积问题，有助于排渣；解决了超快***膜孔加工过程中产生大量微裂纹和明显重铸层的问题；提高了超快***膜孔加工过程中热传递效率，降低了热致应力；提高几何形貌精度的同时保证了加工效率；本发明装置构造简洁，操作方便，并可进一步结合实时测试***实现自动化。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，其特征在于，包括三轴运动工作台模块、超快激光器(10)、水射流循环模块以及控制模块；所述超快激光器(10)能够产生超快激光并照射至三轴运动工作台模块的加工位置；所述水射流循环模块与三轴运动工作台模块相连；所述控制模块能够控制超快激光器(10)产生的超快激光。
2.根据权利要求1所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，其特征在于，所述三轴运动工作台模块包括X轴直线运动子模块(1)、Y轴直线运动子模块(2)、Z轴直线运动子模块(3)以及夹持装置(4)；
所述夹持装置(4)与X轴直线运动子模块(1)、Y轴直线运动子模块(2)以及Z轴直线运动子模块(3)这三者相连，并且能够通过三者实现三维平动；
待加工样件(5)固定在夹持装置(4)上，并且能够随着夹持装置(4)实现三维平动，从而到达加工位置完成超快激光的对焦。
3.根据权利要求2所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，其特征在于，所述水射流循环模块包括夹持支架(20)、水射流喷嘴(21)、水容器(22)、注水管(23)、水泵(24)、排水管(25)以及水槽(26)；
所述水射流喷嘴(21)固定设置在夹持支架(20)上，且水射流喷射方向指向加工位置；所述水容器(22)固定设置在三轴运动工作台模块的加工位置处，并包围加工位置；所述注水管(23)与水射流喷嘴(21)相连；所述水泵(24)分别与注水管(23)、水槽(26)相连；所述排水管(25)分别与水容器(22)、水槽(26)相连。
4.根据权利要求3所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，其特征在于，所述加工位置高于水容器(22)内的水平面。
5.根据权利要求3所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，其特征在于，所述加工位置处于水射流喷嘴(21)冲流形成的薄水膜中心处。
6.根据权利要求3所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，其特征在于，所述水射流喷嘴(21)包括鸭嘴型喷嘴、圆管型喷嘴以及气孔型喷嘴中任一种或任多种组合。
7.一种水射流环境下气膜孔超快激光加工方法，其特征在于，利用权利要求1至6种任一项所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工装置，包括：
固定步骤：将待加工样件(5)固定在水容器(22)内的加工位置，开启水射流循环模块，在加工位置形成水膜；
激光参数调整步骤：控制模块根据加工材料和加工要求设置超快激光加工工艺参数；
加工步骤：开启超快激光器(10)，超快激光穿过水膜聚焦在待加工样件表面进行加工。
8.根据权利要求7所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工方法，其特征在于，所述加工步骤还包括如下子步骤：
水膜调节子步骤：根据设定的条件调节水泵(24)转速，使得待加工样件(5)表面水膜达到设定的范围和厚度，水泵转速为300-350rad/min。
9.根据权利要求7所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工方法，其特征在于，所述固定步骤还包括如下子步骤：
喷嘴调节子步骤：根据待加工样件(5)的形状和表面特性，按照设定的条件，选择鸭嘴型喷嘴、圆管型喷嘴以及气孔型喷嘴中任一种或任多种组合，进行水射流循环。
10.根据权利要求7至9种任一项所述的水射流环境下气膜孔超快激光加工方法，其特征在于，利用超快激光的环切实现打孔，扫描路径为四个半径相同的同心圆，圆的切割起始相位角分别为0°、90°、180°、270°，扫描速度为150-170mm/s，扫描次数为500-600次。
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