一种激光冲孔装置及方法制造方法及图纸

一种激光冲孔装置，包括光源模块、光路传输模块、激光调制模块、聚焦模块和控制模块。光源模块用于发射第一激光。光路传输模块、激光调制模块和聚焦模块沿光路依次设置。激光调制模块包括可移动进出光路的分束器和整形器，分束器用于将第一激光分成至少两束第二激光，整形器用于对第一激光进行整形。光源模块、分束器和整形器均和控制模块连接，控制模块用于控制光源模块发射激光的参数，控制模块用于控制分束器和整形器进出光路。聚焦模块用于将第一激光和第二激光聚焦至基材表面。此外，还提供一种激光冲孔方法。上述激光冲孔装置和激光冲孔方法，解决冲孔时基材的涂层材料易开裂、翘曲甚至剥落的问题，以及孔径大小难以控制，内壁质量差的问题。

A Laser Punching Device and Method

A laser punching device comprises a light source module, an optical transmission module, a laser modulation module, a focusing module and a control module. The light source module is used to emit the first laser. The optical transmission module, the laser modulation module and the focusing module are arranged in turn along the optical path. The laser modulation module includes a beam splitter and a shaping device which can move in and out of the optical path. The beam splitter is used to divide the first laser into at least two second lasers, and the shaping device is used to shape the first laser. The light source module, beam splitter and shaping device are connected with the control module. The control module is used to control the parameters of laser emitted by the light source module, and the control module is used to control the beam splitter and shaping device in and out of the optical path. The focusing module is used to focus the first laser and the second laser onto the substrate surface. In addition, a laser punching method is also provided. The laser piercing device and the laser piercing method can solve the problems of cracking, warping and even peeling of the coating material of the substrate during piercing, as well as the problems of difficult control of the aperture size and poor quality of the inner wall.

【技术实现步骤摘要】
一种激光冲孔装置及方法
本专利技术涉及激光加工
，尤其涉及一种激光冲孔装置及方法。
技术介绍
航空发动机的燃烧室是高压气与燃料混合并进行燃烧的装置，而火焰筒作为燃烧室的主要构件，则长期处于这种高温环境中，工作条件十分恶劣，为使其能适用于这种工况条件，通常在其筒壁采用激光加工出大量冷却孔进行通气冷却，以达到零件延缓失效的目的。而近年来为进一步延长其使用寿命，通过在筒壁表面涂覆厚度为0.3-0.8mm的氧化锆等陶瓷涂层，这样利用陶瓷材料相比高温合金熔点更高的性质，从而使得火焰筒可在高达1200℃的环境中持续工作。此外，冷却孔的形状也由最初的圆柱孔孔型演化为例如“Y”形的异形孔孔型，从而可改善气流流场分布，实现增强冷却效果的目的。针对该类冷却孔加工特点，可采取长脉冲激光器冲出圆柱孔、超短脉冲激光精修出异形结构部分的方式进行加工，以求获得高效、高质量的加工效果。但在材料涂覆上陶瓷层之后，为长脉冲激光器冲孔带来了新的挑战。采用传统的激光打孔方法，容易造成陶瓷层的破坏。
技术实现思路
鉴于此，有必要提供一种不容易造成对陶瓷层的破坏的激光冲孔装置及方法。一种激光冲孔装置，包括光源模块、光路传输模块、激光调制模块、聚焦模块和控制模块；所述光源模块用于发射第一激光；所述光路传输模块、所述激光调制模块和所述聚焦模块沿光路依次设置；所述激光调制模块包括分束器和整形器，所述分束器可移动进出所述光路，所述整形器可移动进出所述光路，所述分束器用于将所述第一激光分成至少两束第二激光，所述整形器用于对所述第一激光进行整形，使所述第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中心能量；所述光源模块、所述分束器和所述整形器均和所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述光源模块发射激光的参数，所述控制模块用于控制所述分束器进出所述光路，所述控制模块用于控制所述整形器进出所述光路；所述聚焦模块用于将所述第一激光和第二激光聚焦至基材表面。在一个实施例中，所述分束器用于将所述激光分成10-40束激光。在一个实施例中，还包括孔型监测模块，所述孔型监测模块用于监测基材上冲孔的孔型。在一个实施例中，所述孔型监测模块包括X光管和探测器，所述X光管和所述探测器分别分布在所述基材的两侧，在冲孔加工过程中，所述X光管发射出X射线，X射线穿过所述基材上的所述冲孔，所述探测器接收所述X射线，并显示出所述基材上的冲孔的孔型。在一个实施例中，还包括流体喷射模块，所述流体喷神模块包括流体喷射管，所述流体喷射管面对所述基材的冲孔位置设置，所述流体喷射模块用于喷射液氮进行所述基材表面的冷却。在一个实施例中，所述流体喷射模块还用于喷射气体，所述气体用于将所述基材冲孔过程中形成的碎屑清除。一种激光冲孔方法，包括以下步骤：在基材的涂层表面采用激光形成裂纹网；在所述基材形成有裂纹网的区域采用激光冲击形成初始孔，所述初始孔的直径小于目标孔的直径；在所述基材形成有初始孔的区域继续采用激光进行扩孔，直至得到所需孔径的目标孔。在一个实施例中，在基材的涂层表面采用激光形成裂纹网的步骤为：将第一激光分成两束以上的第二激光，并调制所述第二激光的焦点的单脉冲能量为0.05-1J，将所述第二激光聚焦于所述基材表面，使所述基材表面的涂层在所述第二激光的冲击下形成裂纹网；在所述基材形成有裂纹网的区域采用激光冲击形成初始孔的步骤为：调节所述第一激光的单脉冲能量为10-50J，在所述基材上形成有所述裂纹网的区域采用所述第一激光冲击形成所述初始孔；在所述基材形成有初始孔的区域继续采用激光进行扩孔的步骤为：对所述第一激光进行整形处理，使得所述第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中间能量，调整所述第一激光的单脉冲能量大小为20-50J，以控制所述光斑的边缘的峰值能量在所述基材的损伤阈值之上，采用整形后的所述第一激光对所述初始孔进行扩孔，在所述初始孔的基础上冲击形成所述目标孔，所述目标孔的孔径大于所述初始孔的孔径。在一个实施例中，所述第一激光被分成10-40束第二激光，所述第二激光通过聚焦镜聚焦形成包括10-40个焦点的圆形阵列。在一个实施例中，所述第二激光的峰值功率为1-3KW，脉冲个数为1-3个。在一个实施例中，在所述基材上形成有所述裂纹网的区域采用所述第一激光冲击形成初始孔的步骤中，所述第一激光的峰值功率为10-50KW，脉冲个数为3-10个。在一个实施例中，对所述第一激光进行整形处理，使得所述第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中间能量的步骤中，第一激光焦点处光斑为M形光斑。在一个实施例中，采用整形后的所述第一激光对所述初始孔进行扩孔，在所述初始孔的基础上冲击形成所述目标孔的步骤中，整形后的所述第一激光的焦点的直径和所述目标孔的直径相等。在一个实施例中，采用整形后的所述第一激光对所述初始孔进行扩孔，在所述初始孔的基础上冲击形成所述目标孔步骤中，还包括对在所述基材上形成目标孔的过程中对所述目标孔的孔型的监测的步骤，当所述目标孔的孔径大小达到预设的孔径大小时，停止冲孔；当所述目标孔的孔径大小小于预设的孔径大小时，继续冲孔，直至所述目标孔的孔径大小和预设的孔径大小相等。在一个实施例中，采用整形后的所述第一激光对所述初始孔进行扩孔，在所述初始孔的基础上冲击形成所述目标孔步骤中，还包括对所述基材进行冲孔的地方吹气进行碎屑清除的操作。在一个实施例中，在基材的涂层表面采用激光形成裂纹网的步骤之前，还包括通过对所述基材的表面涂层区域进行喷液氮处理的操作。上述激光冲孔装置，首先采用分束器将光源模块发射的第一激光分成多束第二激光，可以降低激光的能量，可以在基材的涂层表面制造生成裂纹网，以释放后续冲孔的热应力，防止涂层开裂及剥落。接着，移走分束器提高激光的能量，可以采用激光冲孔形成直径较小的初始孔，实现后续扩孔时的快速散热及顺畅排渣。最后采用整形器将激光整形为中间能量高边缘能量低的激光，可以对初始孔进行扩孔，在基材上实现要求大小的目标孔。因此，上述激光冲孔装置可以解决冲孔时基材的涂层材料易开裂、翘曲甚至剥落的问题，对基材上的涂层损伤小。上述激光冲孔方法，采用长脉冲激光分三步进行冲孔，首先在涂层表面制造生成裂纹网，可以释放后续冲孔的热应力，防止涂层开裂及剥落。然后采用激光冲孔形成直径较小的初始孔可以实现后续扩孔时的快速散热及顺畅排渣。最后采用激光进行逐步扩孔加工实现要求大小。因此，采用上述激光冲孔方法可以减小对基材涂层的损害。附图说明图1为一实施方式的激光冲孔装置的结构示意图；图2为采用激光在基材的涂层上形成裂纹网的结构示意图；图3为采用激光在基材上形成初始孔的结构示意图；图4为采用激光在基材上形成目标孔的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。请参考图1，一实施方式的激光冲孔装置包括光源模块、光路传输模块、激光调制模块、聚焦模块和控制模块。光源模块为激光器1。激光器1用于发射第一激光。光路传输模块、激光调制模块和聚焦模块沿光路依次设置。激光调制模块包括分束器3和整形器4，分束器3可移动进出光路，整形器4可移动进出光路，分束器3用于将第一激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光冲孔装置，其特征在于，包括光源模块、光路传输模块、激光调制模块、聚焦模块和控制模块；所述光源模块用于发射第一激光；所述光路传输模块、所述激光调制模块和所述聚焦模块沿光路依次设置；所述激光调制模块包括分束器和整形器，所述分束器可移动进出所述光路，所述整形器可移动进出所述光路，所述分束器用于将所述第一激光分成至少两束第二激光，所述整形器用于对所述第一激光进行整形，使所述第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中心能量；所述光源模块、所述分束器和所述整形器均和所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述光源模块发射激光的参数，所述控制模块用于控制所述分束器进出所述光路，所述控制模块用于控制所述整形器进出所述光路；所述聚焦模块用于将所述第一激光和所述第二激光聚焦至基材表面。

【技术特征摘要】
1.一种激光冲孔装置，其特征在于，包括光源模块、光路传输模块、激光调制模块、聚焦模块和控制模块；所述光源模块用于发射第一激光；所述光路传输模块、所述激光调制模块和所述聚焦模块沿光路依次设置；所述激光调制模块包括分束器和整形器，所述分束器可移动进出所述光路，所述整形器可移动进出所述光路，所述分束器用于将所述第一激光分成至少两束第二激光，所述整形器用于对所述第一激光进行整形，使所述第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中心能量；所述光源模块、所述分束器和所述整形器均和所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述光源模块发射激光的参数，所述控制模块用于控制所述分束器进出所述光路，所述控制模块用于控制所述整形器进出所述光路；所述聚焦模块用于将所述第一激光和所述第二激光聚焦至基材表面。2.如权利要求1所述的激光冲孔装置，其特征在于，所述分束器用于将所述激光分成10-40束激光。3.如权利要求1所述的激光冲孔装置，其特征在于，还包括孔型监测模块，所述孔型监测模块用于监测基材上冲孔的孔型。4.如权利要求3所述的激光冲孔装置，其特征在于，所述孔型监测模块包括X光管和探测器，所述X光管和所述探测器分别分布在所述基材的两侧，在冲孔加工过程中，所述X光管发射出X射线，X射线穿过所述基材上的所述冲孔，所述探测器接收所述X射线，并显示出所述基材上的所述冲孔的孔型。5.如权利要求1所述的激光冲孔装置，其特征在于，还包括流体喷射模块，所述流体喷射模块包括流体喷射管，所述流体喷射管面对所述基材的冲孔位置设置，所述流体喷射模块用于喷射液氮进行所述基材表面的冷却。6.如权利要求5所述的激光冲孔装置，其特征在于，所述流体喷射模块还用于喷射气体，所述气体用于将所述基材冲孔过程中形成的碎屑清除。7.一种激光冲孔方法，其特征在于，包括以下步骤：在基材的涂层表面采用激光形成裂纹网；在所述基材形成有裂纹网的区域采用激光冲击形成初始孔，所述初始孔的直径小于目标孔的直径；在所述基材形成有初始孔的区域继续采用激光进行扩孔，直至得到所需孔径的目标孔。8.如权利要求7所述的激光冲孔方法，其特征在于，在基材的涂层表面采用激光形成裂纹网的步骤为：将第一激光分成两束以上的第二激光，并调制所述第二激光的焦点的单脉冲能量为0.05-1J，将所述第二激光聚焦于所述基材表面，使所述基材表面的涂层在所述第二激光的冲击下形成裂纹网；在所述基材形成有裂纹网的区域采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄江波，张懿鑫，朱文宇，
申请(专利权)人：西安中科微精光子制造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61