一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法，包括Z轴超声换能器、Y轴移动横梁、滑轨、支撑架、工作台、振动基台、X轴滑台、X轴滑槽、X轴超声换能器、Y轴超声换能器等。超快激光器输出平行光束射入二向色镜，在二向色镜装夹单元中反射后进入聚焦透镜，Z轴超声换能器产生高频振动作用在Z轴滑台，使聚焦光斑在Z轴方向产生超声振动；在XY二维平面内，通过X轴和Y轴超声换能器作用在振动基台的超声振动，共同联动实现在三维空间内的超声振动，改变焦点的位置，有效排出气化物质和残留物，使得激光束可以辐射到设计的加工部位。X轴超声换能器和Y轴超声换能器形成超快激光光束的多种扫描轨迹，实现高深径比微小孔的高质高效加工。实现高深径比微小孔的高质高效加工。实现高深径比微小孔的高质高效加工。

【技术实现步骤摘要】
一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法


[0001]本专利技术涉及超快激光制造与加工领域，尤其涉及一种三维超声辅助超快激光制孔装置及方法。

技术介绍

[0002]近些年，由于超快脉冲激光具有加工质量高、热影响区小、可控性高等特点，广泛应用于航空航天领域和核工业领域构件的微纳制造，实现了涡轮叶片气膜冷却孔、发动机喷油嘴微孔以及点火靶充气微孔等的加工。
[0003]但由于超快脉冲激光微孔加工过程中产生等离子体(空气等离子体、空气和材料分子等离子体以及材料蒸汽等离子体等)，其在激光冲击波、温度骤降等条件下可发生重凝沉积，在加工表面形成固体小颗粒或凸起，等离子的堆积可导致大量激光能量被吸收，使得加工深度无法增加进而产生盲孔。现有技术针对金属材料的微小孔加工中等离子体的排出问题，采用电磁原理，外加一个磁场将等离子体吸附排出，但存在操作复杂、效率低、无法解决非金属材料等问题。亟需找到一种通用解决方案，实现各种材料高深径比微小孔的高质高效加工。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供一种三维超声振动辅助超快激光制孔的装置及方法，该方法利用超声波的高频振动来辅助激光制孔，通过超声振动使聚焦透镜在同轴产生一定的振幅，改变焦点的位置，将重凝回落的等离子团打散。同时在X轴方向和Y轴方向施加超声振动，使重凝回落的等离子团无法附着在孔壁，并且加速碎屑向孔外排出。超声振动主要以纵波形式传播，超声振动加快等离子体流动，使气化物质和残留物迅速排出，减少残留碎屑的堆积。碎屑的迅速排出使得激光束可以辐射到更深的部分，从而增加制孔深度和提高加工质量。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种三维超声辅助超快激光制孔装置，包括超快激光制孔机构和超声辅助机构，所述超声辅助机构包括Z轴超声换能器和设置在振动基台上的Y轴超声换能器与X轴超声换能器，待加工工件设置在所述振动基台上，所述超快激光制孔机构输出的光束进入聚焦透镜，所述Z轴超声换能器用于使聚焦透镜在Z轴方向产生超声振动，改变光斑的位置，所述Y轴超声换能器与X轴超声换能器能够复合为预设的振动轨迹，所述振动基台和Z轴超声换能器联动后，在三维空间内完成预设的激光制孔运动轨迹。
[0007]进一步地，所述超快激光制孔机构包括超快激光器、激光导入机构，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入Z轴超声振动单元中，所述Z轴超声振动单元为容纳激光通过的中空结构，其包括所述Z轴超声换能器，所述Z轴超声振动单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生超声振动。
[0008]进一步地，所述激光导入机构包括二向色镜和用于夹持所述二向色镜的二向色镜
装夹单元，所述二向色镜装夹单元超快激光器放置在支撑架上，支撑架能够与Y轴移动横梁同步运动。
[0009]进一步地，所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端由定位稍固定并与超声能量传输单元的输入端相连。
[0010]进一步地，Z轴滑槽固定在Y轴移动横梁上，Z轴滑槽与Z轴滑台配合，夹板夹紧Z轴超声振动单元并固定在Z轴滑台上，此结构保证Z轴超声换能器在工件垂直方向上自由移动；所述Y轴移动横梁可移动的安装在床身上，所述床身安装在工作台上，所述振动基台也安装在所述工作台上。
[0011]进一步地，还包括成像机构，所述成像机构用于基于经过Z轴超声振动单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀，所述成像机构有环形LED灯进行辅助照射。
[0012]进一步地，X轴超声换能器螺纹连接固定在X轴滑台上，钳形夹具一端固定在振动基台中心圆柱上，另一端连接Y轴超声换能器，所述钳形夹具由拧紧螺钉固定。
[0013]进一步地，所述X轴超声换能器和Y轴超声换能器组成的二维平面内，两者之间的角度由钳形夹具的拧紧螺钉进行调节，两个方向超声振动以单独、间序或同步叠加的形式工作，实现包括环形螺旋轨迹、环形椭圆轨迹、X轴单直线轨迹、Y轴单直线轨迹和井字格轨迹在内的振动轨迹；X轴滑台、Y轴移动横梁，与Z轴滑台联动，在三维空间内完成环切、同心圆或螺旋轨迹等多种运动轨迹。
[0014]进一步地，所述超快激光器产生超快激光包括皮秒激光、飞秒激光，其脉宽范围为5fs
‑
10ps，轨迹包括同心圆、螺旋轨迹、单直线和双直线轨迹，孔加工直径范围在25
‑
1000μm，最大深径比大于10:1；加工材料包括高性能合金、硬脆材料和复合材料。
[0015]一种三维超声振动辅助超快激光制孔方法，包括如下步骤：
[0016]步骤一：将工件装夹在超声振动辅助激光制孔装置的振动基台上；
[0017]步骤二：启动CCD摄像机，待加工工件的图像呈现后，根据光斑大小进行对刀，设置工件Z轴坐标零点，而后移动平台定位需要加工的位置；
[0018]步骤三：根据加工工艺方案，调节Y轴超声换能器与X轴超声换能器角度，并使其固定在振动基台的圆柱上；
[0019]步骤四：启动X轴/Y轴超声换能器，使两个方向的超声振动单独、间序或同步作用在振动基台上，实现不同的扫描轨迹；
[0020]步骤五：启动Z轴超声换能器，使Z轴超声振动单元产生超声振动，使得激光头上下振动，使得激光光斑出现正离焦和负离焦加工；
[0021]步骤六：启动超快激光器，使超快激光器产生的激光束在二向色镜装夹单元中45
°
垂直反射进入Z轴超声振动单元中，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，激光焦点在加工区域上下振动，同时X轴Y轴超声换能器共同振动，实现在三维空间内共同超声振动，振动同时能够加快等离子体产物排出。
[0022]1.本专利技术的一种三维超声振动辅助超快激光制孔装置是在传统超快激光制孔基础上添加超声辅助，一方面通过对聚焦透镜施加超声振动改变激光束焦点位置，使激光和超声振动可以同轴并且同时进行，另一方面在X轴和Y轴施加超声振动，与Z轴实现联动，实现在三维空内的超声振动。此方法可以加速熔渣的去除，使熔渣无法附着在孔内壁上，从而
减少或避免等离子团在孔壁再次沉积。同时超声振动也可以明显改善孔壁的表面质量，从而达到提高加工效率、提高加工精度及质量的目的。
[0023]2.本专利技术的Y轴超声换能器和X轴超声换能器振幅叠加后有三种震动模式，一种是X轴或者Y轴单一方向超声振动；第二种是X轴和Y轴同时振动，叠加后的振动轨迹可为螺旋轨迹或者椭圆轨迹，第三种是X轴和Y轴间序振动，叠加后轨迹为井字型，进而根据粗加工和精加工需求选择不同的加工轨迹。
[0024]3.本专利技术利用超声波的高频振动来辅助激光制孔，通过纵波形式的超声振动可以将材料蒸汽形成的离子团打碎，防止重新凝结在孔内壁，并且更容易通过超声振动排除孔外。
[0025]4、本专利技术结构简单易于加工，不仅可以垂直制孔，还可以各种角度加工斜孔、锥形孔、椭圆孔等。并且可以完成多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，包括超快激光制孔机构和超声辅助机构，所述超声辅助机构包括Z轴超声换能器和设置在振动基台上的Y轴超声换能器与X轴超声换能器，待加工工件设置在所述振动基台上，所述超快激光制孔机构输出的光束进入聚焦透镜，所述Z轴超声换能器用于使聚焦透镜在Z轴方向产生超声振动，改变光斑的位置，所述Y轴超声换能器与X轴超声换能器能够复合为预设的振动轨迹，所述振动基台和Z轴超声换能器联动后，在三维空间内完成预设的激光制孔运动轨迹。2.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述超快激光制孔机构包括超快激光器、激光导入机构，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入Z轴超声振动单元中，所述Z轴超声振动单元为容纳激光通过的中空结构，其包括所述Z轴超声换能器，所述Z轴超声振动单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生超声振动。3.根据权利要求2所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述激光导入机构包括二向色镜和用于夹持所述二向色镜的二向色镜装夹单元，所述二向色镜装夹单元超快激光器放置在支撑架上，支撑架能够与Y轴移动横梁同步运动。4.根据权利要求3所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端由定位稍固定并与超声能量传输单元的输入端相连。5.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，Z轴滑槽固定在Y轴移动横梁上，Z轴滑槽与Z轴滑台配合，夹板夹紧Z轴超声振动单元并固定在Z轴滑台上，此结构保证Z轴超声换能器在工件垂直方向上自由移动；所述Y轴移动横梁可移动的安装在床身上，所述床身安装在工作台上，所述振动基台也安装在所述工作台上。6.根据权利要求1所述的三维超声振动辅助超快激光制孔的装置，其特征在于，还包括成像机构，所述成像机构用于基于经过Z轴超声振动单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀，所述成像机构有环形LED灯进行辅助照射。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：董志刚，康仁科，杨峰，鲍岩，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：