CN113231750B - 一种脉冲激光打孔***及打孔方法 - Google Patents

一种脉冲激光打孔***及打孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光打孔***及打孔方法，该***包括计算机、电源、转速控制器、可旋转激光发生器、扩束器、反射平面镜、聚焦***、氮气压缩机、压缩氮气喷出***、工作平台、夹具。所述可旋转激光发生器的转速与脉冲函数参数相关。脉冲激光打孔方法包括以下步骤：设置脉冲激光参数；对脉冲参数处理，使之接近理想脉冲波形；设置旋转激光发生器的转速；通入压缩氮气进行打孔。本发明利用旋转激光发生器使孔具有较好的圆度，对参数处理使孔的形貌成圆柱形，通入压缩氮气减少孔表面溅射物。本发明提高了激光孔加工的形状精度并保证激光孔的加工质量和减少激光孔上下表面处的溅射物。

Description

一种脉冲激光打孔***及打孔方法
技术领域
本发明属于机械加工领域，涉及一种激光打孔技术，具体地指一种脉冲激光打孔***及打孔方法。
背景技术
脉冲激光打孔技术在经过二十几年的发展已逐步成熟起来，并被越来越多的人们所认识、接收和采用。随着科技和社会生产的迅速发展，一方面给激光打孔提出了各种各样更高的要求；另一方面使得生产高功率、高质量的激光打孔机成为可能。激光打孔的发展趋势有以下几个特点：
1、激光打孔将朝着高速度、高效率方向发展；
2、激光打孔的深度不断的增加；
3、激光打孔时孔形貌不断完善；
4、激光打孔材料多样化；
5、激光打孔的质量不断提高；
总之，脉冲激光加工技术的发展趋势是向着更加完善、应用范围更广泛、质量更高的方向发展。随着脉冲激光加工技术的不断成熟，进行激光打孔的激光加工***的数量将不断增加。
但是，由于激光打孔发展趋势的特点，现在脉冲激光打孔技术存在一定的缺点，具体可以概括为以下四点：
1.打孔重复精度差；
2.孔横切面不成圆形；
3.打孔锥度大；
4.孔边缘容易产生裂纹和再铸层；
一般脉冲激光打孔技术遇到这四类缺点，往往都只会以其中一类作为改善目标，因此急需一种新的脉冲激光打孔***及方法，用来解决上述多种问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，设计出一种脉冲激光打孔***，利用该***进行激光打孔能够提高激光打孔加工的形状精度，并保证激光孔的加工质量和有效减少激光孔上下表面处的溅射物。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种脉冲激光打孔***，其特征在于：包括控制模块、激光发生器、旋转模块、光路调整组件和用于放置待打孔工件的工作平台，脉冲激光发生器安装在旋转模块上，通过旋转模块驱动脉冲激光发生器绕其所发出激光的轴心线旋转，所述光路调整组件用于将激光发生器所发出激光导入到工作平台对工件进行打孔；所述激光发生器为功率可调的脉冲激光发生器，所述脉冲激光发生器通过控制模块进行脉冲参数设定并根据所打孔需要调整脉冲激光的功率波形，所述旋转模块通过控制模块设定转速。
进一步地，所述光路调整组件沿着光路方向依次包括扩束器、反射平面镜和聚焦***，所述扩束器用于对激光发生器所发出激光进行整形，调整激光的直径和发散角；所述反射平面镜用于改变整形后激光的方向；所述聚焦***用于将激光聚焦在工件上所需打孔的位置。
进一步地，所述旋转模块包括旋转装置和转速控制器，所述激光发生器安装在旋转装置上或者激光发生器与旋转装置设备一体化设置，所述转速控制器与控制模块相连，通过接收控制模块的控制信号控制旋转装置的转速。
进一步地，所述工作平台上设有用于夹持工件的夹具。
进一步地，所述工作平台上设有使工件上打孔部分处于惰性气体氛围的惰性气体供气***。
一种利用上述脉冲激光打孔***的脉冲激光打孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、组装与调试脉冲激光打孔***；
步骤S2、设置脉冲激光参数；
步骤S3、对脉冲参数处理，使之接近理想脉冲波形，处理方法如下：
将激光的激光脉冲周期T分为四个阶段，每个阶段结束的时间点依次记为T 1、T 2、T 3、T 4，第一阶段起始时间点记为0，第一阶段采用常数函数调整功率波形，第二阶段采用立方函数调整功率波形，第三阶段采用平方函数调整功率波形，第四阶段也采用常数函数调整功率波形，相邻两个阶段之间通过阶跃函数相连形成功率的连续脉冲波形；
步骤S4、设置旋转激光发生器的转速；
步骤S5、启动脉冲激光打孔***给待打孔的工件进行打孔。
进一步地，步骤S3中，相邻两个阶段之间通过阶跃函数相连后做平滑处理形成理想脉冲波形。
更进一步地，所述平滑处理为利用连续二阶导数进行平滑处理。
更进一步地，所述步骤S2具体过程为：设置脉冲激光参数，具体为：设置激光功率P、激光脉冲周期T、脉冲波长λ、激光占空比τ。
进一步地，进行平滑处理前，所述第一阶段和第四阶段脉冲激光的功率函数为相同的常数函数，记为y=0，第二阶段的立方函数记为y=t 3+b2，其中，t为时间，b2为立方函数的常数；第三阶段的平方函数记为y=-a 3 t 2+b3 t-c3，其中，a 3为二次方系数，b3为一次方系数，c3为常数，且第三阶段的平方函数以第三阶段的时间中点对称，在该中点处脉冲激光的功率达到激光发生器设定的最大功率P。
进一步地，所述激光脉冲周期的四个阶段时间长度比值为2:3:6:2。
立方函数中， b2=2；平方函数中，a 3=21.922222，b3=26.306667，c3=3.892。
进一步地，所述激光发生器的转速设定原则具体与以下相关参数有关：
（1）脉冲函数周期T：周期越短，转速越快；目的是使光斑附近工件均匀受热，使孔型接近标准圆形。
（2）脉冲函数功率P：功率越大，转速越快；目的是使工件加热温度稳定上升，防止升温过快导致打孔过程中孔边缘应力过大，有效的减少加工后微裂纹的产生。
（3）激光占空比τ：占空比越大，转速越快。目的是使工件加工区域温度稳定上升。
再进一步地，所述步骤S4的具体控制过程为：在激光打孔的过程中，转速控制器与可旋转激光发生器相连，用于控制激光发生器的旋转速度，使得激光发生器的转速保持稳定，使之在打孔过程中更容易形成圆形孔。
再进一步地，所述步骤S5的具体过程为：在激光打孔的过程中，加入压缩氮气。其原因是：氮气属于惰性气体，本身较为稳定，在高温下不易于其他物质发生化学反应，在激光打孔中比压缩空气稳定性好，可以有效的减少穿孔表面的溅射物。
本发明的优点在于：
1、运用可旋转激光发生器，使光斑附近工件均匀受热，使孔型横截面成标准圆形，可有效提高孔型标准精度；
2、利用分段函数对脉冲激光进行处理，采用处理后理想的脉冲激光波形，可有效减少孔的锥度，使激光孔成圆柱形，提高激光孔内表面的加工精度；
3、利用分段函数对脉冲激光进行处理，采用处理后理想的脉冲激光波形，目的也是使工件加热温度稳定上升，防止升温过快导致打孔过程中孔边缘应力过大，有效的减少加工后微裂纹的产生，保证孔的加工质量；
4、使用压缩氮气作为辅助气体，由于氮气属于惰性气体，本身较为稳定，在高温下不易于其他物质发生化学反应，在激光打孔中比压缩空气稳定性好，可以有效的减少激光孔上下表面的溅射物。
附图说明
图1为本发明实施例中脉冲激光打孔***结构示意图。
图2为经过阶跃函数处理后的连续脉冲波形图。
图3为经过平滑处理后的平滑连续脉冲波形图。
图4为激光打孔后孔型横截面图。
图5为激光打孔后孔型纵截面图。
附图标记：1-计算机；2-转速控制器；3-电源；4-旋转激光发生器；5-扩束器；6-反射平面镜；7-聚焦***；8-压缩氮气喷出***；9-氮气压缩机；10-工作平台；11-夹具；12-工件。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
如图1所示，本发明提供了一种脉冲激光打孔***，包括控制模块、激光发生器、旋转模块、光路调整组件和用于放置待打孔工件12的工作平台10，所述旋转模块包括旋转装置和转速控制器2，所述激光发生器安装在旋转装置（比如旋转电机）上或者激光发生器与旋转装置设备一体化设置，本实施例中激光发生器与旋转装置设备一体化设置命名为旋转激光发生器4，所述转速控制器2（当旋转电机为交流电机时，可以为变频器）与控制模块相连，通过接收控制模块的控制信号控制旋转装置的转速。
脉冲激光发生器安装在旋转模块上，通过旋转模块驱动脉冲激光发生器绕其所发出激光的轴心线旋转，所述光路调整组件用于将激光发生器所发出激光导入到工作平台10对工件12进行打孔；所述激光发生器为功率可调的脉冲激光发生器，本实施例中控制模块为计算机1，通过计算机1设定所述脉冲激光发生器的脉冲参数设定并根据所打孔需要调整脉冲激光的功率波形，以及设定所述旋转模块的转速。
所述光路调整组件沿着光路方向依次包括扩束器5、反射平面镜6和聚焦***7，所述扩束器5用于对激光发生器所发出激光进行整形，调整激光的直径和发散角；所述反射平面镜6用于改变整形后激光的方向；所述聚焦***7用于将激光聚焦在工件12上所需打孔的位置。
所述工作平台10上设有用于夹持工件12的夹具11，设有使工件12上打孔部分处于惰性气体氛围的惰性气体供气***，本是实施例中，所述惰性气体供气***包括氮气喷嘴和氮气压缩机9，通过氮气压缩机9提供氮气，从压缩氮气喷出***8喷出，为工件12提供氮气保护氛围，当然作为常规设备，本发明还包括用于供电的电源3。
本实施例采用铜片作为实验样本，取出铜片放入工作平台10上方，用夹具11夹住铜片，在铜片上方利用氮气压缩机9通入压缩辅助氮气，打开计算机1、电源3、转速控制器2和可旋转激光发生器4，开始打孔。本发明具体实施包括以下步骤：
S1组装与调试脉冲激光打孔***；
S2设置脉冲激光参数；
S3对脉冲参数处理，使之接近理想脉冲波形；
S4设置旋转激光发生器4的转速；
S5通入压缩氮气保护，并启动脉冲激光打孔***进行打孔。
在步骤S1中，参照图1所示，组装脉冲激光打孔***，脉冲激光打孔***包括计算机1、电源3、转速控制器2、可旋转激光发生器4、扩束器5、反射平面镜6、聚焦***7、压缩氮气喷出***8、氮气压缩机9、工作平台10、夹具11、工件12。计算机1分别与转速控制器2和可旋转激光发生器4的转速控制器2相连接，一是可以控制激光发生器旋转转速，保持转速稳定，保证工件12受热均匀，二是可以控制可旋转激光发生器4根据设置参数发出所需要的脉冲激光。电源3为可旋转激光发生器4与氮气压缩机9提供电能。扩束器5为了扩展激光束的直径和减少激光束的发散角。氮气压缩机9和压缩氮气喷出***8为***提供压缩氮气，提高工件12表面精度。工件12位于夹具11上，夹具11固定于工作平台10上。其余部件依次组装。带组装完成后，在不同环境温度、不同类型工件12、不同激光频率和功率下，分别进行脉冲激光打孔测试。以满足装置使用安全要求。
在步骤S2中，设置脉冲激光参数是指：在计算机1中设置脉冲激光功率P、激光脉冲 周期T、脉冲波长
Figure 777767DEST_PATH_IMAGE002
、激光占空比τ等，使用计算机1控制激光发生器所发出的脉冲激光波形。
在步骤S3中，具体过程为：
将激光的激光脉冲周期T分为四个阶段，每个阶段结束的时间点依次记为T 1、T 2、T 3、T 4，第一阶段起始时间点记为0，第一阶段采用常数函数调整功率波形，第二阶段采用立方函数调整功率波形，第三阶段采用平方函数调整功率波形，第四阶段也采用常数函数调整功率波形，首先将相邻两个阶段之间的功率波形通过阶跃函数相连形成连续脉冲波形；之后对连续脉冲波形的相邻两个阶段之间做平滑处理，得到平滑连续脉冲波形，即为平滑连续的理想脉冲波形。
进行平滑处理前，所述第一阶段和第四阶段脉冲激光的功率函数为相同的常数函数，记为y=0，第二阶段的立方函数记为y=t 3+b2，其中，t为时间， b2为立方函数的常数；第三阶段的平方函数记为y=- a 3 t 2+ b3 t-c3，其中，a 3为二次方系数，b3为一次方系数，c3为常数，且第三阶段的平方函数以第三阶段的时间中点对称，在该中点处脉冲激光的功率达到激光发生器设定的最大功率P。
本实施例中，具体的，如图2和图3所示，横坐标x表示时间，纵坐标y表示激光功率，设定的激光最大功率P=4（单位根据需要设定，本实施例中为了说明比例关系，采用无量纲数据），所述激光脉冲周期的四个阶段时间长度比值为2:3:6:2，脉冲周期T为从-0.2至1.1（单位根据需要设定，本实施例中为了说明比例关系，采用无量纲数据），第一阶段为-0.2至0，采用的是y=0调整功率波形；第二阶段为0至0.3秒，采用的是y=t 3+2调整功率波形；第三阶段为0.3-0.9，采用y=-21.922222t 2+26.306667t-3.892调整功率波形，在时间0.6处功率达到最大4，即记P=4；第四阶段为0.9-1.1，采用的是y=0调整功率波形；在相邻阶段之间，也就是时间为0、0.3、0.9的点采用阶跃函数进行连续化处理，得到连续脉冲波形图（如图2所示），连续脉冲波形图的第二阶段在0点时功率为0.5P，在时间0.3时，功率为0.5067P，第三阶段关于中点0.6对称，所以实际0.9时，功率也是0.5067P。之后对得到了连续波形进行平滑处理，得到最终的平滑连续脉冲波形，如图3所示，利用该波形调制激光发生器的功率进行打孔可有效减少孔的锥度，使激光孔成圆柱形，提高激光孔内表面的加工精度。
在步骤S4中，在计算机1中设置旋转激光发生器4的转速，利用计算机1控制激光发生器的转速。对于激光发生器转速的设置，主要根据以下列三个参数设置：
1.脉冲函数周期T：周期越短，转速越快；
2.脉冲函数功率P：功率越大，转速越快；
3.激光占空比τ：占空比越大，转速越快；
在计算机1中设置激光发生器转速时，还应当考虑其他因素的影响，如环境温度、激光波长等。应全面考虑其他影响转速的因素。
在步骤S5中，通入压缩氮气进行打孔，上述步骤S1到步骤S4已经完成打孔准备工作，取出工件12（铜片）放入工作平台10上方，用夹具11夹住铜片，在铜片上方利用氮气压缩机9将氮气压入压缩氮气喷出***8，为铜片上表面提供压缩氮气，依次打开计算机1、电源3。由电源3为整个装置提供电能，所以打开电源3时，氮气压缩机9同时开启，并且通过压缩氮气喷出***8为铜片提供压缩氮气。再打开转速控制器2和可旋转激光发生器4，开始进行脉冲激光打孔。因氮气属于惰性气体，本身较为稳定，在高温下不易于其他物质发生化学反应，可以有效的减少激光孔上下表面处的溅射物。其激光打孔后孔型横截面图如图4所示，激光打孔后孔型纵截面图如图5所示。
该脉冲激光打孔装置和脉冲激光打孔方法，可用于微型孔和深型孔，提高了孔加工的形状精度并保证孔的加工质量和减少激光孔上下表面处的溅射物。
需要说明的是，本发明核心发明点在于激光可绕其轴线旋转和激光功率波形的调制，为了实现激光打孔的其他技术中，本发明未交待部分采用现有公知常识即可，上述举例也不作为对本发明权利要求保护范围的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉冲激光打孔方法，采用的脉冲激光打孔***包括控制模块、激光发生器、旋转模块、光路调整组件和用于放置待打孔工件的工作平台，激光发生器安装在旋转模块上，通过旋转模块驱动脉冲激光发生器绕其所发出激光的轴心线旋转，所述光路调整组件用于将激光发生器所发出激光导入到工作平台对工件进行打孔；所述激光发生器为功率可调的脉冲激光发生器，所述脉冲激光发生器通过控制模块进行脉冲参数设定并根据所打孔需要调整脉冲激光的功率波形，所述旋转模块通过控制模块设定转速；
所述光路调整组件沿着光路方向依次包括扩束器、反射平面镜和聚焦***，所述扩束器用于对激光发生器所发出激光进行整形，调整激光的直径和发散角；所述反射平面镜用于改变整形后激光的方向；所述聚焦***用于将激光聚焦在工件上所需打孔的位置；
其特征在于，脉冲激光打孔方法包括以下步骤：
步骤S1、组装与调试脉冲激光打孔***；
步骤S2、设置脉冲激光参数；
步骤S3、对脉冲参数处理，使之接近理想脉冲波形，处理方法如下：
将激光的激光脉冲周期T分为四个阶段，每个阶段结束的时间点依次记为T 1、T 2、T 3、T 4，第一阶段起始时间点记为0，第一阶段采用常数函数调整功率波形，第二阶段采用立方函数调整功率波形，第三阶段采用平方函数调整功率波形，第四阶段也采用常数函数调整功率波形，相邻两个阶段之间通过阶跃函数相连形成功率的连续脉冲波形；
步骤S4、设置旋转激光发生器的转速；
步骤S5、启动脉冲激光打孔***给待打孔的工件进行打孔；
步骤S3中，相邻两个阶段之间通过阶跃函数相连后做平滑处理形成理想脉冲波形；
进行平滑处理前，所述第一阶段和第四阶段脉冲激光的功率函数为相同的常数函数，记为y=0，第二阶段的立方函数记为y=t 3+b2，其中，t为时间，b2为立方函数的常数；第三阶段的平方函数记为y=-a 3 t 2+b 3 t-c3，其中，a 3为二次方系数，b3为一次方系数，c3为常数，且第三阶段的平方函数以第三阶段的时间中点对称，在该中点处脉冲激光的功率达到激光发生器设定的最大功率P。
2.如权利要求1所述的脉冲激光打孔方法，其特征在于：所述旋转模块包括旋转装置和转速控制器，所述激光发生器安装在旋转装置上或者激光发生器与旋转装置设备一体化设置，所述转速控制器与控制模块相连，通过接收控制模块的控制信号控制旋转装置的转速。
3.如权利要求1所述的脉冲激光打孔方法，其特征在于：所述工作平台上设有用于夹持工件的夹具。
4.如权利要求1所述的脉冲激光打孔方法，其特征在于：所述工作平台上设有使工件上打孔部分处于惰性气体氛围的惰性气体供气***。
5.如权利要求1所述的脉冲激光打孔方法，其特征在于：所述激光脉冲周期的四个阶段时间长度比值为2:3:6:2。
6.如权利要求1所述的脉冲激光打孔方法，其特征在于：所述激光发生器的转速设定原则如下：
（1）脉冲函数周期T：周期越短，转速越快；
（2）脉冲函数功率P：功率越大，转速越快；
（3）激光占空比τ：占空比越大，转速越快。
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