一种超快激光真空制孔方法技术

本发明专利技术提供了一种超快激光真空制孔方法，该方法将待加工板材置于真空环境下，利用超快激光进行旋转环切制孔，激光束以旋转方式运动形成切环，直至切环在板材表面形成圆孔。真空环境可以避免超快激光与材料相互作用过程中产生等离子体，提高激光能量利用率；激光束以旋转的方式运动可以有效改善光斑能量分布不均匀和扩大激光去除区域面积，提高制孔精度并增大孔深；环切制孔可以有效提高制孔效率。环切制孔可以有效提高制孔效率。环切制孔可以有效提高制孔效率。

【技术实现步骤摘要】
一种超快激光真空制孔方法


[0001]本专利技术涉及一种超快激光真空制孔方法，属于激光加工


技术介绍

[0002]微小孔在航空航天、石油化工、海洋船舶等领域有巨大需求量，如航空发动机热端部件气膜冷却孔、船用喷油器喷孔等。现有制孔技术如机械加工、电火花加工、电解加工等由于制孔精度差、材料局限、灵活性低等问题，无法满足高精密度、复杂和定制化的生产需求。激光加工技术具有高精度、适应性广、高柔性的优势，成为目前制孔主要应用的加工技术。
[0003]激光制孔方式与制孔效率、精度有关，一般激光制孔多采用脉冲激光进行加工，按照激光作用方式的不同，激光制孔方法分为了单脉冲制孔、多脉冲制孔、环切制孔和螺旋制孔。其中，单脉冲制孔和多脉冲制孔多采用普通或短脉冲激光器进行加工，通过控制激光能量、离焦量等参数对孔径大小进行调控，但激光作用区域热影响大、孔精度低、等离子体屏蔽效应严重。环切制孔引入激光切割的思想，采用先制备通孔再以通孔为起点进行切割的方式，利用通孔向外喷射熔融材料、金属蒸汽和等离子体，降低其对激光制孔效率、精度的影响，但在通孔制备完成前依旧受其影响。螺旋制孔多采用纳秒至飞秒脉宽激光，以螺旋线为路径逐层去除材料，通过改变制孔路径提高制孔精度[International Journal of Extreme Manufacturing,2021,3(04):65
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76.]，但螺旋制孔要求激光与制孔区域内所有材料相互作用，制孔效率低。
[0004]脉冲激光源的脉宽同样对制孔效率与精度有着较大影响。超快激光制孔技术具有脉宽短、功率密度高的特点，与材料相互作用过程时间短，加工过程为非热熔性，热影响非常小，极大提高了制孔精度。然而，超快激光制孔过程中由于较大的功率密度产生了更多的等离子体，阻碍激光能量进一步向孔内传递，且超快激光脉冲能量小，制孔效率一般情况下小于普通脉冲、短脉冲激光。因此，提高飞秒激光制孔效率是目前研究者比较关注的方向。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种超快激光真空制孔方法，所述方法利用超快激光制孔降低热影响，通过真空环境减少等离子体屏蔽，采用激光旋转扫描改善激光能量分布并扩大激光去除面积，采用环切制孔提高制孔效率，解决现有激光制孔技术中制孔精度低、孔深小、加工效率低等问题。
[0006]本专利技术的技术方案如下。
[0007]本专利技术第一方面提供了一种超快激光制孔方法，包括：
[0008]提供待加工的板材；
[0009]将所述板材置于真空环境下；
[0010]采用超快激光作为激光源，激光扫描路径采用激光旋转环切的方式，激光光斑以旋转和环切两种运动同步进行的路径进行制孔。
[0011]优选地，所述板材厚度为0.1～5mm。
[0012]优选地，所述真空环境的真空度为0.1～10pa。
[0013]优选地，所述激光脉冲宽度为100fs～10ps。
[0014]优选地，所述激光扫描速度为500～5000mm/s。
[0015]优选地，所述激光旋转直径为光斑直径的0.5～1倍。
[0016]优选地，所述激光环切直径为制孔孔径与激光旋转直径和光斑直径之差。
[0017]优选地，所述激光扫描路径中旋转一圈前后的旋转中心间距为旋转半径的0.05～1倍。
[0018]本专利技术第二方面提供了一种超快激光真空制孔系统，包括：
[0019]真空装置，其用于提供一能够容纳待加工板材的真空环境；
[0020]激光扫描系统，其包括激光源和控制装置；所述激光源能够发射超快激光，并在所述控制装置的控制下沿激光扫描路径进行扫描；所述激光扫描路径采用激光旋转环切的方式，激光光斑以旋转和环切两种运动同步进行的路径进行制孔。
[0021]优选地，所述激光环切直径为制孔孔径与激光旋转直径和光斑直径之差。
[0022]本方法将加工材料置于真空环境下，利用真空中气体浓度稀薄、压强小的特点减缓了制孔过程中等离子体的产生，增加了已产生等离子体的喷发高度和速度，提高了等离子体消散的效率，同时还可以抑制材料与空气中组分的相互作用，最终达到提高制孔效率的目的。
[0023]激光扫描路径中的旋转可以扩大激光扫描面积，进而扩大材料被去除面积，降低了激光在材料上表面的反射、衍射现象，使更多能量进入孔中，增加了制孔深度可达到的极限。激光扫描路径中的环切可以确保所制孔的圆度，且环切的半径可控制所制孔孔径。
附图说明
[0024]图1是本专利技术激光束制孔过程中的激光扫描路径示意图；
[0025]图2是本专利技术实施例1提出的一种利用高速扫描振镜实现的超快激光真空制孔装置和方法示意图。
具体实施方式
[0026]本专利技术所使用的术语“旋转环切”是指激光束聚焦光斑的扫描路径为直径不同的两个旋转运动相叠加的运动模式，且采用略小于目标孔径的尺寸作为环切直径，采用与激光束光斑直径近似的尺寸作为旋转直径。
[0027]下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案做具体的说明。
[0028]实施例1
[0029]本实施例提供了利用高速激光扫描振镜实现超快激光真空制孔的方法，所采用的具体技术方案如下。
[0030]提供待加工的板材。
[0031]将板材放置于真空箱内，真空度1pa。
[0032]采用高速激光扫描振镜实现旋转环切同步进行的激光扫描路径并进行超快激光真空制孔。
[0033]在一优选的实施方式中，具体扫描参数如下：
[0034]环切直径：0.8mm；
[0035]旋转直径：0.1mm；
[0036]扫描速度：3000mm/s；
[0037]旋转一圈前后旋转中心间距与旋转半径之比：1：5。
[0038]实施例2
[0039]本实例提供了利用楔形镜配合二维电动平台实现超快激光真空制孔的方法，所采用的具体技术方案如下。
[0040]提供待加工的板材。
[0041]将板材放置于真空箱中二维电动平台上，真空度1pa。
[0042]采用楔形镜旋转实现激光光斑的旋转运动。
[0043]在一优选的实施方式中，楔形镜具体参数如下：
[0044]旋转角速度：500rad/s；
[0045]聚焦光斑旋转直径：0.1mm。
[0046]采用二维电动平台x、y轴简谐运动实现激光光斑的环切运动。在一优选的实施方式中，二维电动平台具体运动参数如下：
[0047]x方向简谐运动幅值：0.4mm
[0048]x方向简谐运动周期：1s
[0049]y方向简谐运动幅值：0.4mm
[0050]y方向简谐运动周期：1s。
[0051]实施例3
[0052]本实施例提供一种超快激光真空制孔系统，包括：
[0053]真空装置，其用于提供一能够容纳待加工板材的真空环境。
[0054]激光扫描系统，其包括激光源和控制装置；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超快激光真空制孔方法，其特征在于，包括：提供待加工的板材；将所述板材置于真空环境下；采用超快激光作为激光源，激光扫描路径采用激光旋转环切的方式，激光光斑以旋转和环切两种运动同步进行的路径进行制孔。2.根据权利要求1所述的一种超快激光真空制孔方法，其特征在于，所述板材厚度为0.1～5mm。3.根据权利要求1所述的一种超快激光真空制孔方法，其特征在于，所述真空环境的真空度为0.1～10pa。4.根据权利要求1所述的一种超快激光真空制孔方法，其特征在于，所述超快激光的脉冲宽度为100fs～10ps。5.根据权利要求1所述的一种超快激光真空制孔方法，其特征在于，所述激光扫描速度为500～5000mm/s。6.根据权利要求1所述的一种超快激光真空制孔方法，其特征在于，所述激光旋转直径为光斑直径的0...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄婷，蒋麒，张海洲，蔺晓超，郭鹏，邱文旺，沈君阳，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：