一种激光加工孔的方法以及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种激光加工孔的方法以及系统，涉及激光材料加工技术领域。所述方法包括：激光源沿传导光路中心轴输出激光束；所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑；所述圆环光斑入射至扫描振镜；所述扫描振镜装置将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹；所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。该方法提高了激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高了孔径的一致性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于激光材料加工
，具体的讲是一种激光加工孔的方法及系统。
技术介绍
本部分旨在为权利要求书中陈述的本专利技术的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。超短脉冲激光通常是指飞秒激光(10-15s)、皮秒激光(10-12s)。由于作用时间非常短，激光功率密度极高(超过1012w/cm2)，去除材料的过程几乎没有热扩散，材料去除具有非热熔性。因此，采用超短脉冲激光可以加工孔壁没有热影响区、再铸层、微裂纹的小孔，可参阅附图1。而诸如毫秒等较长脉冲宽度的激光加工小孔则容易在小孔的孔壁产生再铸层，可参见附图2a、图2b，图中的箭头指示处即为再铸层。单晶涡轮叶片气膜孔要求孔壁无再铸层、微裂纹、热影响区，因此，在涡轮叶片高质量制孔，尤其是带热障涂层涡轮叶片先涂层后无热致缺陷制孔方面，超短脉冲激光制孔技术具有巨大的应用前景。但超短脉冲激光脉冲能量很低，例如皮秒激光的脉冲能量通常不到500微焦，导致加工效率低，加工深度有限，而且小孔锥度大；在实际制孔中还发现，孔径及加工效率对焦点位置的变化非常敏感，受焦点位置及壁厚变化的影响，孔径一致性不高。上述现象极大地限制了超短脉冲激光加工叶片气膜孔技术的实际应用。因此，如何研究和开发出一种新的方案以提高皮秒激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高孔径的一致性是本领域亟待解决的技术难题。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种激光加工孔的方法以及系统，通过激光偏轴装置将激光束转变为圆环光斑，再通过扫描振镜装置将圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转后以多个同心圆的轨迹聚焦后用于加工一目标孔径的小孔，提高了激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高了孔径的一致性。为了实现上述目的，本专利技术提供一种激光加工孔的方法，所述方法包括：激光源沿传导光路中心轴输出激光束；所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑；所述圆环光斑入射至扫描振镜系统；所述扫描振镜装置将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹；所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。在本专利技术的优选实施方式中，所述扫描振镜装置包括电机、X-Y扫描振镜以及控制模块，所述电机，用于带动所述X-Y扫描振镜以使所述激光束围绕所述聚焦镜的中心轴旋转；所述控制模块，用于调整所述X-Y扫描振镜，以调整同心圆的半径。在本专利技术的优选实施方式中，所述的方法还包括：当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径以及最大半径减去间距的同心圆组成。在本专利技术的优选实施方式中，所述的方法还包括：当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径、最大半径减去间距以及最大半径减去二倍的间距的同心圆组成。本专利技术的目的之一是，提供了一种激光加工孔的系统，所述的系统包括激光源，用于沿传导光路中心轴输出激光束，所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置，用于将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑，所述圆环光斑入射至扫描振镜系统；所述扫描振镜装置，用于将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹，所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。在本专利技术的优选实施方式中，所述激光束为飞秒激光或纳秒激光或皮秒激光。在本专利技术的优选实施方式中，所述激光偏轴装置包括电机以及楔形镜组，所述楔形镜组由两个间距可调的楔形镜组成。在本专利技术的优选实施方式中，所述激光偏轴装置包括电机以及楔形镜组，所述楔形镜组由两个楔形镜组成，两个楔形镜之间的间距固定。在本专利技术的优选实施方式中，所述激光偏轴装置包括电机以及方形棱镜，所述方形棱镜的倾斜角度可变。在本专利技术的优选实施方式中，所述扫描振镜装置包括电机、X-Y扫描振镜以及控制模块，所述电机，用于带动所述X-Y扫描振镜以使所述激光束围绕所述聚焦镜的中心轴旋转；所述控制模块，用于调整所述X-Y扫描振镜，以调整经过同心圆的半径。在本专利技术的优选实施方式中，所述同心圆的最大半径取决于所述目标孔径，所述同心圆的最小半径大于等于0.05mm，小于等于0.15mm，相邻同心圆之间的间距大于等于0.03mm，小于等于0.05mm。本专利技术的有益效果在于，提供了一种激光加工孔的方法以及系统，通过激光偏轴装置将激光束转变为圆环光斑，再通过扫描振镜装置将圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转后以多个同心圆的轨迹聚焦后用于加工一目标孔径的小孔，提高了激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高了孔径的一致性。为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术中皮秒激光加工斜孔横截面的示意图；图2a为现有技术中毫秒激光旋切加工小孔的横截面的示意图；图2b为现有技术中毫秒激光冲击加工小孔的横截面的示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的系统的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的系统中激光偏轴装置的实施方式一的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的系统中楔形镜组的示意图；图6为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的系统中激光偏轴装置的实施方式二的结构示意图；图7为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的系统中方形棱镜的示意图；图8为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的系统中的扫描振镜装置的结构框图；图9为本专利技术实施例提供的一种激光加工孔的方法的流程图；图10为激光束偏离传导光路中心轴旋转形成的圆环光斑示意图；图11为偏离聚焦镜的中心轴旋转形成的同心圆半径为r的加工路径；图12为偏离聚焦镜的中心轴旋转形成的多个同心圆扫描填充加工小孔示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本领域技术技术人员知道，本专利技术的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。下面参考本专利技术的若干代表性实施方式，详细阐释本专利技术的原理和精神。本专利技术针对现有技术中超短脉冲激光脉冲能量很低，例如皮秒激光的脉冲能量通常不到500微焦，导致加工效率低，加工深度有限，而且小孔锥度大；在实际制孔中还发现，孔径及加工效率对焦点位置的变化非常敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光加工孔的系统，其特征是，所述系统包括：激光源，用于沿传导光路中心轴输出激光束，所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置，用于将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑，所述圆环光斑入射至扫描振镜装置；所述扫描振镜装置，用于将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹，所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。

【技术特征摘要】
1.一种激光加工孔的系统，其特征是，所述系统包括：激光源，用于沿传导光路中心轴输出激光束，所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置，用于将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑，所述圆环光斑入射至扫描振镜装置；所述扫描振镜装置，用于将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹，所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述激光束为飞秒激光或纳秒激光或皮秒激光。3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述激光偏轴装置包括电机以及楔形镜组，所述楔形镜组由两个间距可调的楔形镜组成。4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述激光偏轴装置包括电机以及楔形镜组，所述楔形镜组由两个楔形镜组成，两个楔形镜之间的间距固定。5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述激光偏轴装置包括电机以及方形棱镜，所述方形棱镜的倾斜角度可变。6.根据权利要求3或4或5所述的系统，其特征是，所述扫描振镜装置包括电机、X-Y扫描振镜以及控制模块，所述电机，用于带动所述X-Y扫描振镜，以使所述激光束围绕所述聚焦镜的中心轴旋转；所述控制模块，用于调整所述X-Y扫描振镜，以调整同心圆的半径。7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述同心圆的最大半径取决于所述目标孔径，所述同心圆的最小半径大于等于0.05mm，小于等于0.15mm，相邻同心圆之间的间距大于等于0.03mm，小于等于0.05mm。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓兵，蔡敏，纪亮，张伟，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11