CN113843460B - 一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，所述光电液耦合传导管电极由透光基体、内侧反射包层、外侧反射包层、内壁导电层和端部导电层构成，所述透光基体为管状结构，所述内侧反射包层和所述外侧反射包层分别位于透光基体的内、外壁面上，所述内壁导电层位于所述内侧反射包层内壁上，所述端部导电层位于所述透光基体的端部，以形成导光、导电、导液且侧壁绝缘同步作用的复合加工用的管电极结构。该管电极具备透明基体导光、中空结构导液和端部金属层导电的复合功能，同时绝缘基体可以抑制其侧壁对已加工表面的电化学杂散腐蚀。

Description

一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其是涉及一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极。

背景技术

不锈钢、钛合金和镍基合金等难加工金属合金材料在汽车、航空航天和医疗器械等领域的结构零部件制造中具有广泛应用。这些零部件上需要加工出高深径比小孔、槽等结构，同时要求较高的加工精度、表面光洁度和无表面损伤，满足设计的特殊功能需求。因此，迫切需要发展高精度、高效率、无损伤的加工技术。

通常机械切削加工高硬度、高强度难加工金属合金材料时存在刀具磨损严重和表面毛刺等问题，难加工材料零部件的加工更多依赖特种加工。常用的电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工在加工精度、加工效率方面有各自的工艺特点。电火花加工和常规激光加工的效率虽然高，但是被加工表面具有热影响区和重铸层；超短脉冲激光加工精度高，无热影响区，但是加工屑排出困难，加工结构的深宽比受限；电解加工具有加工表面完整性好的优点，但是加工形状尺寸精度、加工效率有待改善提升。

近些年，激光和水射流结合的水导激光加工相对于常规的连续或长脉冲激光加工，大幅改善了加工屑的排出、提升了加工表面质量和加工精度，但是难以实现高深径比小孔和高深宽比结构的加工。

以高深径比小孔和高深宽比结构的加工为目标，有研究尝试采用金属管电极的激光电解复合加工。利用中空金属管电极传导电解液，激光通过管电极内壁反射和电解液传导至加工区域，以形成激光电解复合加工。理论上，激光电解复合加工兼具激光加工效率高和电解加工无损伤的优势，但是该激光电解复合加工方法存在的主要问题是：电解液对激光光强的吸收从而不可能实现高深径比小孔和高深宽比结构的加工。激光通过电解液传导至加工区域，不可避免地会被电解液吸收，致使传导并作用到工件表面上的光强减弱。而且电解液在非定常流动过程中产生的气泡和涡流也会减弱作用在工件表面的能量，降低加工效率、甚至导致无法加工。在电解液中长距离传输的激光光强随着加工深度而减弱，且随着加工深度而越发严重，不利于高深宽比结构的加工。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种光电液耦合传导管电极，该管电极具备透明基体导光、中空结构导液和端部金属层导电的复合功能，同时绝缘基体可以抑制其侧壁对已加工表面的电化学杂散腐蚀，可以解决难加工材料上高深宽比结构加工和激光光强减弱的问题。

为了达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，所述光电液耦合传导管电极由透光基体、内侧反射包层、外侧反射包层、内壁导电层和端部导电层构成，所述透光基体为管状结构，所述内侧反射包层和所述外侧反射包层分别位于透光基体的内、外壁面上，所述内壁导电层位于所述内侧反射包层内壁上，所述端部导电层位于所述透光基体的端部，以形成导光、导电、导液且侧壁绝缘同步作用的复合加工用的管电极结构。

进一步地，所述的透光基体的材料具有高透光、高折射率、高强度、良好的绝缘性能。

进一步地，所述透光基体的材料优选为石英玻璃。

进一步地，所述透光基体一端面为激光导入端，另一端面为激光导出端，激光由所述透光基体经全反射传导至激光电解复合加工的加工区域。

进一步地，所述透光基体侧面靠近所述激光导入端的位置设置有导电连接孔，脉冲电源输出的电流通过所述导电连接孔连接至所述端部导电层和所述内壁导电层。

进一步地，所述透光基体侧面靠近激光导入端的位置设置有电解液导入孔，电解液经由所述电解液导入孔和光电液耦合传导管电极内孔冲入激光电解复合加工的加工区域。

进一步地，所述的端部导电层位于所述透光基体的激光导出端；

所述端部导电层由内环状层、外环状层和连接线构成，所述内环状层直接与所述内壁导电层连接，所述内环状层和所述外环状层之间由至少1根所述连接线连接。

进一步地，所述透光基体的激光导出端设置为平行导光的平头结构或聚焦导光的结构，以使当激光导出端采用平头结构时，激光直射入加工区域，当激光导出端采用聚焦导光的结构时，激光在加工区域内聚焦成圆形或环形。

进一步地，所述聚焦导光的结构设置为锥形结构或曲面结构。

一种激光、电解液和电流导入机构，包括光电液耦合传导管电极、光束整形与导入光路和液电导入组件；

所述光束整形与导入光路与所述光电液耦合传导管电极的激光导入端连接，以利用所述光束整形与导入光路将激光器的输出光束整形为环形光，导入所述激光导入端；

所述液电导入组件包括液电连接环、密封塞和电连接头，所述液电连接环套接在所述外侧反射包层的外部，所述液电连接环的侧壁开有与电解液导入孔相对应的流体入口，所述密封塞设置在所述光电液耦合传导管电极内孔中靠近所述激光导入端，所述电连接头上接有脉冲电源，所述电连接头穿过所述液电连接环插接在导电连接孔内，所述电连接头与所述内壁导电层连通。

进一步地，所述光束整形与导入光路包括圆锥透镜与凸透镜，所述圆锥透镜与所述凸透镜的轴线重合，且所述凸透镜设置在所述圆锥透镜与所述透光基体之间，以使激光经由圆锥透镜和凸透镜整形为所述环形光。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明提供的光电液耦合传导管电极结构示意图；

图2是本发明图1的俯视图；

图3是本发明提供的激光导出端为锥形结构时的示意图；

图4是本发明提供的激光导出端为平头导光结构时形成的激光形态结构示意图；

图5是本发明提供的激光导出端为聚焦导光结构时形成的激光形态结构示意图；

图6是本发明提供的激光导出端为聚焦导光结构时形成的激光形态结构示意图；

图7是本发明提供的激光导出端为聚焦导光结构时形成的激光形态结构示意图；

图8是本发明提供的激光、电解液和电流导入机构结构示意图；

图9是图8中直射激光作用时的结构示意图；

图10是图8中聚焦激光作用时的结构示意图；

图11是本发明提供的光束整形与导入光路与液电导入组件结构示意图。

附图标记：1、光电液耦合传导管电极；101、透光基体；102、内侧反射包层；103、外侧反射包层；104、内壁导电层；105、端部导电层；1051、内环状层；1052、外环状层；1053、连接线；106、导电连接孔；107、电解液导入孔；108、激光导入端；109、激光导出端；110、光电液耦合传导管电极内孔；2、光束整形与导入光路；201、圆锥透镜；202、凸透镜；3、液电导入组件；301、液电连接环；302、脉冲电源；303、电连接头；304、密封塞；305、流体入口；4、加工工件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

下面参考图1-图11描述根据本发明实施例的光电液耦合传导管电极1。

为实现高深径比小孔和高深宽比结构的加工，本发明一方面实施例提出一种光电液耦合传导管电极1；包括透光基体101、内侧反射包层102、外侧反射包层103、内壁导电层104和端部导电层105；透光基体101为管状结构，内侧反射包层102和外侧反射包层103分别位于透光基体101的内、外壁面上，外侧反射包层103完全覆盖透光基体101的整体外壁,内壁导电层104位于内侧反射包层102内壁上，并覆盖整个内侧反射包层102内表面，其两端与透光基体101内壁两端平齐，其基本形状是中空的管结构，内壁导电层104的轴向连续，且径向壁厚均匀，主要作用是电解加工中电场的导入，端部导电层105位于透光基体101的端部，以形成导光、导电、导液且侧壁绝缘同步作用的复合加工用的管电极结构。

另外，需要说明的是，透光基体101的材料为为高透光、高折射率、高强度、绝缘的材料，优选为石英玻璃。

同时，透光基体101一端面为激光导入端108，另一端面为激光导出端109，激光由透光基体101经全反射传导至激光电解复合加工的加工区域。

在本申请的一个实施例中，端部导电层105位于透光基体101的激光导出端；端部导电层105由内环状层1051、外环状层1052和连接线1053构成，内环状层1051直接与内壁导电层104连接，内环状层1051和外环状层1052之间由至少1根连接线1053连接，可以由1-2条连接线1053连接，也就是说，内环状层1051覆盖在内侧反射包层102和内壁导电层104的端面上，外环状层1052覆盖在外侧反射包层103的端面上。

具体地，透光基体101与内侧反射包层102、外侧反射包层103在轴向尺寸一致，径向壁厚均匀；内侧反射包层102与外侧反射包层103的主要作用为通过全反射将激光限制在光导基体中传播，减少辐射损耗。

采用透光的石英玻璃管作为透光基体101(电极基体)，透光基体101与内、外壁面设置的反射包层一起高效传导激光能量，同时石英玻璃管的电绝缘特性起到侧壁绝缘抑制电解加工杂散腐蚀的作用；石英玻璃管内壁面和端面局部制备导电层形成电解加工用电极，中空的透光基体101内导流电解液至加工区；这种将光、电、液耦合传导的管电极将有利于激光和电解的复合加工作用。

进一步地，透光基体101一端的侧壁设置导电连接孔106与电解液导入孔107，导电连接孔106与电解液导入孔107设置在与端部导电层105相对的一端。

具体地，透光基体101的侧壁设置导电连接孔106与电解液导入孔107，导电连接孔106与电解液导入孔107位于激光导入端108；激光导入端108端面无遮盖，用于导入激光光线；导电连接孔106与电解液导入孔107均为通孔，可以实现光、电、液的同步导入，内部导电层可以通过导电连接孔106连接电源，具体来说，脉冲电源输出的电流通过导电连接孔106连接至端部导电层105和内壁导电层104，并且电解液经由电解液导入孔107和光电液耦合传导管电极内孔110冲入激光电解复合加工的加工区域。

本发明的导电连接孔106与电解液导入孔107的轴线重合，并且当连接线1053为两条时，导电连接孔106与电解液导入孔107的轴线与两条连接线1053共面。

在本申请的一个实施例中，透光基体101的激光导出端109设置为平行导光的平头结构或聚焦导光的结构，以使当激光导出端109采用平头结构时，激光直射入加工区域，当激光导出端109采用聚焦导光的结构时，激光在加工区域内聚焦成圆形或环形。

详细地，激光导入端108的端面为垂直于透光基体101轴线的平面，激光导出端109的端面可以为垂直透光基体101的平面(如图4)，此时直射入加工区域的激光呈环形；激光导出端109的端面也可为能够聚焦导光的特殊结构，例如：锥形结构(如图5和图6)或曲面结构(如图7)。

本发明上述实施例的光电液耦合传导管电极1，透光基体101采用具有高透光、高折射率、高强度、良好的绝缘性的材料，优选为石英玻璃，具有高透光、低传输损耗、较高折射率、易加工等特点，有利于减小激光传输过程中的吸收损耗与散射损耗；透光基体101采用中控管状结构可使加压电解液冲入加工区迅速更新并排出加工产物，外侧壁绝缘特性可以抑制杂散电解腐蚀；内反射包层与外反射包层的材料优选为低折射率掺杂剂掺杂的高纯度石英，具有易附着于透光基体101和折射率较低且制备过程中可控等特点；内壁导电层104可选用银、铂等金属材料，具有附着能力强、电导率高等特点。

本发明提供的一种光电液耦合传导管电极1具有以下特点：1)光电液耦合传导管电极1的透光基体101和内外侧反射包层103提供并限制激光传播路径，可以极大减小激光由激光器出口传播至加工表面的传播损耗。2)光电液耦合传导管电极1端面的透光设计与区域性导电层设计能够实现加工区域中激光光场、电解电场与流场的可控高效耦合；3)中空的管电极结构能够实现高深宽比结构的持续加工；4)光电液耦合传导管电极1具备批量制备的技术可行性。

本发明另一方面实施例提出一种光电液耦合传导管电极1的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：提供一个石墨靶棒，在石墨靶棒外表面沉积SiF₄掺杂的石英作为内侧反射包层102；

步骤二：在内侧反射包层102的外表面沉积GeO2掺杂的石英作为透光基体101；

步骤三：在透光基体101外表面沉积SiF₄掺杂的石英作为外侧反射包层103；

步骤四：将经过三次沉积的石墨靶棒进行干燥与纯化烧结，然后取出石墨靶棒，得到透光基体101与内侧反射包层102、外侧反射包层103的结合体，将结合体的端面进行修整、磨平；

步骤五：将结合体的一个端面完全覆盖光刻胶，另一个端面仅将透光基体101的端面覆盖光刻胶，外侧反射包层103的外表面覆盖光刻胶，将连接线1053处的光刻胶去除，将内侧反射包层102的内表面进行清洗、粗糙化、敏化和活化处理，然后将结合体放置在化学镀液中镀银层，然后将结结合体拿出化学镀液，得到内壁导电层104与端部导电层105；

步骤六：在结合体完全覆盖光刻胶的端面的一端的侧壁加工两个通孔，分别作为电解液导入孔107与导电连接孔106。

具体地，本发明另一方面实施例提供了一种光电液耦合传导管电极1的制备方法，首先在直径为200μm石墨靶棒外表面沉积30μm厚的SiF₄掺杂的高纯度石英作为内侧反射包层102；在外反射包层外表面沉积540μm厚的GeO₂掺杂的高纯度石英作为透光基体101，在透光基体101外表面沉积30μm厚的SiF₄掺杂的高纯度石英作为外侧反射包层103，此时得到石墨靶棒经过三次沉积，得到内侧反射包层102、透光基体101、外侧反射包层103的结合体，将该结合体进行干燥与纯化烧结，取出石墨靶棒，然后将结合体的端面进行修整、磨平；此时，可以根据需要将结合体的端部加工成导光聚焦所需的光学形状。

将结合体激光导入端108的端面完全覆盖光刻胶，激光导出端109仅将透光基体101的端面覆盖光刻胶，并去除连接线1053处的光刻胶(本实施例采用两条连接线1053的方案)，同时将结合体的外表面完全覆盖光刻胶，然后将结合体没有覆盖光刻胶的地方进行清洗、粗糙化、敏化和活化处理，然后将结合体放置在化学镀液中镀银层，镀银层的厚度控制在5μm，光刻胶作为掩膜保证了镀银层之后不影响光电液耦合传导管电极1的绝缘性，去除光刻胶后得到内壁导电层104与端部导电层105。

在经过镀银层的结合体的一端加工两个直径为100μm和50μm的通孔分别作为电解液导入孔107和导电连接孔106，两个通孔位于结合体镀银层时完全覆盖光刻胶的一端，且轴线均与透光基体101直径重合；加工过通孔后得到最终的光电液耦合传导管电极1。

经过上述方法制备的光电液耦合传导管电极1外径未800μm，内径为200μm，内反射包层与外反射包层的厚度均为30μm，内壁导电层104与端部导电层105以及连接线1053的厚度均为5μm，其中端部导电层105的内环状层1051与外环状层1052宽度均为30μm，两条中间连接线1053的宽度为10μm；电解液导入孔107的直径为100μm，导电连接孔106的直径为50μm；两个通孔均为微孔，避免过大的光强损失。

本发明再一方面实施例提出激光、电解液和电流导入机构，如图8所述，包括光电液耦合传导管电极1与光束整形与导入光路2，以及液电导入组件3。

光束整形与导入光路2包括圆锥透镜201与凸透镜202，圆锥透镜201与凸透镜202的轴线重合，且凸透镜202设置在圆锥透镜201与透光基体101之间，激光经过圆锥透镜201后变为环形光，然后环形光经凸透镜202调整入射方向后，沿透光基体101的轴线射入透光基体101内。

液电导入组件3包括液电连接环301，液电连接环301套接在外侧反射包层103的外表面，液电连接环301的侧壁对应电解液导入孔107与导电连接孔106的部位设置流体入口305和导电口；液电导入组件3还包括密封塞304，密封塞304设置在设置在光电液耦合传导管电极1内孔110中靠近激光导入端108的一端，用于透光基体101的激光导入端108密封；液电导入组件3还包括电连接头303连接，电连接头303上接有脉冲电源302，电连接头303穿过液电连接环301插接在导电连接孔106内，与内壁导电层104连通。

如图9，光电液耦合传导管电极1的激光导出端109的端面为垂直透光基体101的平面时，在加工工件4内部形成环形光；如图10，当激光导出端109的端面为能够聚焦导光的特殊结构时，激光在加工工件4内部的中间；通过设置不同的激光导出端109的结构可以对加工工件4底部进行全方位的加工。

光束整形与导入光路2与液电导入组件3可以通过加工主轴实现对准连接，从而实现光电液耦合传导管电极1的光、电、液的同步导入复合加工。

本实施例提供的一种激光、电解液和电流导入机构，将光电液耦合传导管电极1的激光导出端109***工件中，电解液经由电解液导入孔107进入光电液耦合传导管电极1内腔，然后冲入加工区域；通过导线将加工工件4与电连接头303上连接的脉冲电源302连接，此时，加工工件4、脉冲电源302、电连接头303、内壁导电层104、端部导电层105电解液之间形成闭合回路，实现电流的导入；将光束整形与导入光路2设置在激光导入端108的上方，激光器发射的激光首先经过圆锥透镜201，经圆锥透镜201调整为环形光后再经凸透镜202调整入射方向，沿光电液耦合传导管电极1的轴线射入透光基体101内，然后进入加工区域。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述光电液耦合传导管电极由透光基体、内侧反射包层、外侧反射包层、内壁导电层和端部导电层构成，所述透光基体为管状结构，所述透光基体的材料为石英玻璃，所述内侧反射包层和所述外侧反射包层分别位于透光基体的内、外壁面上，内反射包层与外反射包层的材料为低折射率掺杂剂掺杂的高纯度石英，所述内壁导电层位于所述内侧反射包层内壁上，所述端部导电层位于所述透光基体的端部，以形成导光、导电、导液且侧壁绝缘同步作用的复合加工用的管电极结构。

2.根据权利要求1所述的一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述透光基体一端面为激光导入端，另一端面为激光导出端，激光由所述透光基体经全反射传导至激光电解复合加工的加工区域。

3.根据权利要求2所述的一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述透光基体侧面靠近所述激光导入端的位置设置有导电连接孔，脉冲电源输出的电流通过所述导电连接孔连接至所述端部导电层和所述内壁导电层。

4.根据权利要求3所述的一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述透光基体侧面靠近激光导入端的位置设置有电解液导入孔，电解液经由所述电解液导入孔和光电液耦合传导管电极内孔冲入激光电解复合加工的加工区域。

5.根据权利要求2所述的一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述的端部导电层位于所述透光基体的激光导出端；

所述端部导电层由内环状层、外环状层和连接线构成，所述内环状层直接与所述内壁导电层连接，所述内环状层和所述外环状层之间由至少1根所述连接线连接。

6.根据权利要求2所述的一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述透光基体的激光导出端设置为平行导光的平头结构或聚焦导光的结构，以使当激光导出端采用平头结构时，激光直射入加工区域，当激光导出端采用聚焦导光的结构时，激光在加工区域内聚焦成圆形或环形。

7.根据权利要求6所述的一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极，其特征在于，所述聚焦导光的结构设置为锥形结构或曲面结构。

8.一种激光、电解液和电流导入机构，其特征在于，包括权利要求4中所述的光电液耦合传导管电极、光束整形与导入光路和液电导入组件；

所述光束整形与导入光路与所述光电液耦合传导管电极的激光导入端连接，所述光束整形与导入光路包括圆锥透镜与凸透镜，所述圆锥透镜与所述凸透镜的轴线重合，且所述凸透镜设置在所述圆锥透镜与所述透光基体之间，以使激光经由圆锥透镜和凸透镜整形为环形光，所述环形光导入所述激光导入端；

所述液电导入组件包括液电连接环、密封塞和电连接头，所述液电连接环套接在所述外侧反射包层的外部，所述液电连接环的侧壁开有与电解液导入孔相对应的流体入口，所述密封塞设置在所述光电液耦合传导管电极内孔中靠近所述激光导入端的一端，所述电连接头上接有脉冲电源，所述电连接头穿过所述液电连接环插接在导电连接孔内，所述电连接头与所述内壁导电层连通。

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