本发明专利技术公开了一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置及方法，涉及激光打孔领域，激光头发出的激光束与工件的三维位置可改变，所述激光头包括第一平面反射镜、半波片、第二平面反射镜、空间光调制器、1/4波片、第三平面反射镜和聚焦透镜；激光器经激光头发射的激光束辐照射到第一平面反射镜上，经第一平面镜反射反射到半波片上后再由第二平面反射镜反射到空间光调制器上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜上，经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上。通过设计改变激光器的结构及在工件上方添加叉指电极来解决现有技术中存在的重铸层和毛刺问题。
A laser drilling device and method based on underwater drilling to improve drilling quality
【技术实现步骤摘要】
一种基于水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置及方法
本专利技术涉及激光打孔
，具体涉及到一种基于水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置。
技术介绍
为满足先进发动机高推重比、高燃烧效率等性能要求，发动机的热端部件(如燃烧室、涡轮叶片等)都在极高的温度下工作。目前先进的发动机的进口温度已经达到了1650℃以上，远高于最先进的第五代单晶镍基高温合金的最高承受温度1300℃，故发动机的热端部件上都广泛采用气膜冷却技术。气膜冷却孔的孔径一般在0.20～1.25mm之间，且深径比大，而单个叶片上就分布上百的气膜孔，燃烧室有甚至高达数万的气膜孔。激光打孔技术具有加工材料不受限制、可加工大深径比斜孔、效率高和无工具损耗等优点，故广泛用于发动机气膜冷却孔的加工。激光打孔是利用热作用去除材料而形成孔型，加工完成的孔壁、孔口有残留熔融物形成的重铸层和毛刺。重铸层中含有残余应力导致的微裂纹，特别是径向的微裂纹在外加交变载荷作用下极易向基材扩展，引发零件断裂失效。所以如航空涡轮叶片等工作环境恶劣且可靠性要求较高的零部件，重铸层是不允许存在的。目前激光制孔重铸层的去除主要有磨粒流研磨、化学腐蚀、优化激光工艺参数和电解加工。磨粒流研磨加工是基于阻力最小原理进行的，对大孔的材料去除多，对小孔的材料去除少甚至不去除，扩孔不均匀且存在无法去除加工“死角”区域的重铸层，尤其是在孔的中部位置。整体化学腐蚀法对工件基体也存在腐蚀作用，而定向化学腐蚀法通用性差，不同金属材料或组织结构均需要不同的定向腐蚀液。毫秒激光打孔参数优化后可明显降低重铸层厚度，但仍存在较薄的重铸层；飞秒二次加工可以完全去除重铸层，但飞秒激光器费用昂贵、加工条件要求高、效率低。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，通过设计改变激光器的结构及在工件上方添加叉指电极来解决现有技术中存在的重铸层和毛刺问题，从而能明显降低重铸层厚度，另外通过将工件设置于水中，更进一步的解决了上述问题。本专利技术是通过如下技术方案得以实现的：一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，激光头发出的激光束与工件的三维位置可改变，所述激光头包括第一平面反射镜、半波片、第二平面反射镜、空间光调制器、1/4波片、第三平面反射镜和聚焦透镜；激光器经激光头发射的激光束辐照射到第一平面反射镜上，经第一平面镜反射反射到半波片上后再由第二平面反射镜反射到空间光调制器上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜上，经聚焦透镜聚焦后辐照在工件上。进一步的，经聚焦透镜聚焦后的激光束经叉指电极场后辐照在工件上。进一步的，所述工件通过工件夹具夹持，工件置于液体中。进一步的，还包括电动推杆、无盖长方体容器、激光头、CCD摄像机、导光管、z方向移动机构、x-y移动平台和温度控制器；所述x-y移动平台设置在机床底座上，x-y移动平台上设置有电动推杆，电动推杆上设置有无盖长方体容器，无盖长方体容器内设置有工件；无盖长方体容器内的液体的温度由温度控制器控制。进一步的，所述工件夹具装置包括固定螺钉、夹板、工件、螺母、螺栓、叉指电极；所述工件夹具装置通过固定螺钉安装在x-y移动平台上，并跟随x-y移动平台移动，所述螺母和螺栓配合使得夹板对工件固定夹紧。进一步的，所述机床底座的后侧竖直面上开设的竖直滑轨内安装有z方向移动机构；所述z方向移动机构上安装有激光器。进一步的，所述电动推杆包括固定螺钉、直流有刷电机、电动推杆导套、推杆、控制单元；所述电动推杆通过固定螺钉安装在x-y移动平台上，并跟随x-y移动平台移动，所述推杆安装在电动推杆导套中，在控制单元对直流有刷电机的控制下驱动推杆移动。进一步的，工作时，所述叉指电极通电，并接地，工件通正电。进一步的，工件的三维位置可通过三坐标移动平台改变。水下打孔改善制孔质量的激光打孔装置的方法，包括如下步骤：步骤一：对工件进行夹持；步骤二：电动推杆工作，对无盖长方体容器注水，叉指电极通电来产生电磁场；步骤三：打开温度控制器对无盖长方体容器中的水进行加热，控制单元设置好参数后，开启电源，使电动推杆开始工作，电动推杆以一定的速率和行程上下移动；与此同时，开始激光打孔，打开激光器的泵浦，z方向移动机构开始以一定的速度向下进给，当激光头到距离工件的位置恰好使其焦点在工件表面，即离焦量为0时，激光器发出脉冲激光，激光光束经第一平面反射镜、半波片、第二平面反射镜、空间光调制器、1/4波片、第三平面反射镜和聚焦透镜处理后得到径向偏振特性的激光束，光束聚焦在工件表面；步骤四：调节温度控制器，使水温降低从而冷却工件；随着脉冲个数的增加，激光不断与工件之间相互作用，直至工件上的孔打通，停止激光输出；待工件冷却后，取下工件。本专利技术的具有益效果是：一.本专利技术首先利用激光在水下进行打孔，水下激光打孔可以减少热损伤，减小受激光热影响区的面积，对激光打孔过程中经常出现的微裂纹现象有很好的改善作用。二.本专利技术利用温度控制器对水进行加热，以达到对工件预热处理的目的，提高了材料的吸收率，改善了由于激光能量不均匀带来的成型孔圆度较差的问题。在加工过程中，利用温度控制器降低水温，来达到冷却工件的目的，这改善了由于工件在激光辐照下产生高温所导致的微裂纹和变形的问题。三.本专利技术针对水下激光打孔中无法及时去除熔融物的缺陷，将水下打孔与及时冲刷技术进行耦合，改善了上述缺陷，可以在水下激光打孔的同时，及时的去除激光打孔产生的熔融物，可以有效的减少激光打孔过程中经常产生的重铸层。四.本专利技术设计的夹具安装在x-y的移动平台上，可以跟随x-y进行移动，实现了工件任意位置的打孔，也适合群孔加工。五.本专利技术设计的叉指电极可以产生较强的边缘电场以及总体向上的电磁场，可以对加工区域上方的等离子体起到吸附控制的作用，这避免了等离子体沉积到工件表面，减弱了等离子体的屏蔽、散射及折射效应。提高了打孔质量。六.本专利技术对激光器发出的普通脉冲激光进行处理，得到了具有径向偏振特性的激光束，它是一种特殊的非均匀偏振光束，具有轴对称偏振结构，而且它的聚焦质量好，可以打出圆度更好的孔。附图说明图1为本专利技术装置结构示意图；图2为工件夹具结构示意图；图3为电动推杆的结构示意图；图4为x-y移动工作台的结构示意图；图5为叉指电极工作原理示意图；图6为激光头内部结构示意图。附图标记如下：1-电源箱、2-电动推杆、3-无盖长方体容器、4-工件夹具、5-激光头、6-CCD摄像机、7-导光管、8-激光器、9-z方向移动机构、10-x-y移动平台、2.1-固定螺钉、2.2-直流有刷电机、2.3-电动推杆导套、2.4-推杆、2.5-控制单元、4.1-固定螺钉、4.2-夹板、4.3-工件、4.4-螺母、4.5-螺栓、5.1-第一平面反射镜、5.2-半波片、5.3-第二平面反射镜、5.4-空间光调制器、5.5-1/4波片、5.6-第三平面反射镜、5.7-聚焦透镜、10.1-工作台、10.2-第二伺服电机、10.3-y方向的导轨、10.4-丝杠支撑架、10.5-联轴器、10.6-第一伺服电机、10.7-第一电机支撑块、10.8-y方向的导轨支撑架、10.9-y方向的丝杠、10.10-x方向的底板、10.11-x方向的导轨支撑架、10.12-x方向的导轨、10.13-x方向的丝杠、10.14-螺纹孔、10本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，激光头(5)发出的激光束与工件(4.3)的三维位置可改变，所述激光头(5)包括第一平面反射镜(5.1)、半波片(5.2)、第二平面反射镜(5.3)、空间光调制器(5.4)、1/4波片(5.5)、第三平面反射镜(5.6)和聚焦透镜(5.7)；激光器(8)经激光头(5)发射的激光束辐照射到第一平面反射镜(5.1)上，经第一平面镜反射(5.1)反射到半波片(5.2)上后再由第二平面反射镜(5.3)反射到空间光调制器(5.4)上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜(5.6)上，经聚焦透镜(5.7)聚焦后辐照在工件(4.3)上。
【技术特征摘要】
1.一种基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，激光头(5)发出的激光束与工件(4.3)的三维位置可改变，所述激光头(5)包括第一平面反射镜(5.1)、半波片(5.2)、第二平面反射镜(5.3)、空间光调制器(5.4)、1/4波片(5.5)、第三平面反射镜(5.6)和聚焦透镜(5.7)；激光器(8)经激光头(5)发射的激光束辐照射到第一平面反射镜(5.1)上，经第一平面镜反射(5.1)反射到半波片(5.2)上后再由第二平面反射镜(5.3)反射到空间光调制器(5.4)上；经过1/4波片后再次辐照到第三平面反射镜(5.6)上，经聚焦透镜(5.7)聚焦后辐照在工件(4.3)上。2.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，经聚焦透镜(5.7)聚焦后的激光束经叉指电极(12)场后辐照在工件(4.3)上。3.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述工件(4.3)通过工件夹具(4)夹持，工件(4.3)置于液体中。4.根据权利要求3所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，还包括电动推杆(2)、无盖长方体容器(3)、激光头(5)、CCD摄像机(6)、导光管(7)、z方向移动机构(9)、x-y移动平台(10)和温度控制器(11)；所述x-y移动平台(10)设置在机床底座上，x-y移动平台(10)上设置有电动推杆(2)，电动推杆(2)上设置有无盖长方体容器(3)，无盖长方体容器(3)内设置有工件(4.3)；无盖长方体容器(3)内的液体的温度由温度控制器(11)控制。5.根据权利要求3所述的基于水下激光打孔改善制孔质量的激光打孔装置，其特征在于，所述工件夹具装置(4)包括固定螺钉(4.1)、夹板(4.2)、工件(4.3)、螺母(4.4)、螺栓(4.5)、叉指电极(12)；所述工件夹具装置(4)通过固定螺钉(4.1)安装在x-y移动平台(10.1)上，并跟随x-y移动平台(10.1)移动，所述螺母(4.4)和螺栓(4.5)配合使得夹板(4.2)对工件(4.3)固定夹紧。6.根据权利要求1所述的基于水下激光打孔...
【专利技术属性】
技术研发人员：任乃飞，宋诗文，王后孝，夏凯波，石春辉，李涛，高福强，范永胜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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