铝合金激光打孔方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明适用于激光加工【技术领域】，提供了一种铝合金激光打孔方法，旨在解决如何消除现有技术中铝合金激光打孔所形成的通孔锥度的问题。该铝合金激光打孔方法包括以下步骤：激光打孔、配置溶液以及腐蚀通孔。本发明还提供了一种铝合金激光打孔装置。该铝合金激光打孔方法采用激光束在铝合金表面加工通孔，且该通孔具有锥度，并利用化学溶液与铝合金发生化学反应以消除通孔锥度，从而获得无锥度的通孔，该方法加工效率高，且铝合金不发生形变。
【专利说明】铝合金激光打孔方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工【技术领域】，尤其涉及一种铝合金激光打孔方法及装置。
【背景技术】
[0002]铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金加工通孔构件的需求日益增多，使铝合金的通孔加工研究也随之深入。
[0003]传统的铝合金加工通孔的方法有模冲、钻床钻孔以及电火花，然而，这些加工方法均无法克服铝合金材料形变及加工效率的问题，例如，模冲加工对冲头的要求高且能满足加工效率要求，但是形变严重；钻床钻孔的效率低、形变相对较小，但钻头耗损成本高；电火花打孔可以满足形变要求，但效率低下，加工过程中容易产生变质层，需进一步去除，而且工作液即油雾容易附着在铝合金的内外表面，难以一次性清洗干净，增加了后续处理难度。
[0004]激光打孔属于非接触加工方法，速度快、效率高、无工具耗损且无变形，能获得较高的经济效益，尤其在加工高硬度、高熔点材料时，具有传统加工方法无法比拟的优势。但是，一般的激光打孔方法所形成的通孔都有一定的锥度，无法满足通孔的形状要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种铝合金激光打孔方法，旨在解决如何消除现有技术中铝合金激光打孔所形成的通孔锥度的问题。
[0006]本发明实施例是这样实现的，一种铝合金激光打孔方法包括以下步骤:
[0007]激光打孔:采用激光束在铝合金工件表面上加工通孔，所述通孔内壁具有锥度；
[0008]配置溶液:配置具有腐蚀性的化学溶液；以及
[0009]腐蚀通孔:将所述化学溶液注入所述通孔内以对所述通孔的锥度进行冲击腐蚀。
[0010]进一步地，所述激光打孔的步骤中还包括以下步骤:
[0011 ] 激光器生成所述激光束；
[0012]提供用于传输所述激光束的光学系统；以及
[0013]所述光学系统将所述激光束聚集至所述铝合金工件表面。
[0014]进一步地，所述激光束为单脉冲激光束或者多脉冲激光束。
[0015]进一步地，所述激光打孔的步骤中还包括采用辅助性气体加速所述铝合金排出。
[0016]进一步地，所述化学溶液的压力范围为I?lOMPa。
[0017]进一步地，所述化学溶液为可溶解所述铝合金的碱性溶液或者酸性溶液。
[0018]进一步地，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液，所述酸性溶液为硝酸、磷酸、醋酸、盐酸、硫酸中的一种或者多种的混合溶液。
[0019]进一步地，所述化学溶液的温度高于室温。
[0020]本发明另一实施例是这样实现的，一种铝合金激光打孔装置包括产生激光束的激光器、提供所述激光器能量并控制所述激光束输出方式的电气控制部、将所述激光器产生的所述激光束聚焦至铝合金工件的加工部位的光学系统以及用于放置所述铝合金工件的工作平台，所述激光束在所述铝合金工件上加工具有锥度的通孔，所述铝合金激光打孔装置还包括输入化学溶液以注入所述通孔内的喷嘴，所述化学溶液冲击腐蚀具有锥度的所述通孔。
[0021]进一步地，所述光学系统包括用于对所述激光器产生的激光束进行扩束处理的扩束准直镜、对扩束处理后的所述激光束进行反射作用的反射镜以及将所述反射镜发射的所述激光束聚集并入射至所述工作平台上的所述铝合金工件表面的聚焦镜。
[0022]本发明提供的铝合金激光打孔方法利用激光束在铝合金表面加工具有锥度的通孔，以提高生产效率并减小铝合金因加工而产生的形变；并通过将化学溶液注入所述通孔内以腐蚀所述通孔的锥度内壁，即采用化学溶液与通孔内多余铝合金发生化学反应以达到消除通孔锥度的目的，从而获得内部直径基本一致的通孔。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明实施例提供的铝合金激光打孔方法的步骤流程图。
[0024]图2是本发明实施例提供的激光打孔步骤的流程图。
[0025]图3是本发明实施例提供的铝合金激光打孔装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
[0027]请参照图1，本发明【具体实施方式】中提供的铝合金激光打孔方法包括以下步骤:
[0028]激光打孔:采用激光束在铝合金工件表面上加工通孔，所述通孔内壁具有锥度；
[0029]配置溶液:配置具有腐蚀性的化学溶液；以及
[0030]腐蚀通孔:沿所述通孔孔径较大的一端将所述化学溶液注入所述通孔内以对所述通孔进行冲击腐蚀。
[0031]该铝合金激光打孔方法采用激光束在铝合金表面加工通孔，以提高效率并减小铝合金因加工而产生的变形；采用化学溶液注入所述通孔内以腐蚀通孔的锥度内壁，即利用化学溶液与铝合金发生化学反应以腐蚀该锥度内壁，从而获得没有锥度的通孔。
[0032]请参照图2，在本发明提供的【具体实施方式】中，所述激光打孔的步骤中还包括以下步骤:
[0033]激光器生成所述激光束；
[0034]提供用于传输所述激光束的光学系统；以及
[0035]所述光学系统将所述激光束聚集至所述铝合金工件表面。
[0036]所述激光器是将电源提供的电能转换为激光能以生成激光束，优选地，该激光器可以是气体激光器，例如，二氧化碳激光器，也可以是固体激光器，例如，红宝石激光器、钕玻璃激光器或者YAG激光器。
[0037]该光学系统用于将所述激光器生成的激光束精确地聚集到铝合金工件表面的待加工部位，所述光学系统包括用于对所述激光器产生的激光束进行扩束处理的扩束准直镜、对扩束处理后的激光束进行发射作用的反射镜以及将所述反射镜发射的激光束聚集并入射至工作台上的铝合金工件表面的聚焦镜。通过扩束、反射、聚焦形成的高能量的激光束，照射在铝合金工件表面，所述激光束将铝合金表面的待加工区域熔融、气化、蒸发，并形成具有锥度的通孔，该光学系统使激光器产生的激光束能量增强，一方面有利于提高打孔精度和打孔速度，从而提高打孔效率，另一方面可以有效地利用激光器产生的激光束能量，减小能量损失。优选地，所述反射镜为45度全反射镜。
[0038]在本发明提供的【具体实施方式】中，所述激光打孔的方式采用单脉冲激光打孔方式或者多脉冲激光打孔方式。其中，采用单脉冲激光打孔所需脉冲激光能量较高，以防止铝合金熔融物未被喷射出所述通孔而出现再凝固现象；多脉冲激光打孔是采用一组重复周期远远大于铝合金材料凝固时间的极短脉冲光束来进行打孔加工，由于多次脉冲激光能量的不断积累，使照射区内的铝合金材料逐层汽化蒸发，逐渐将孔加深直至形成通孔，该打孔方式还可以利用每个脉冲激光之间的时间间隔，及时改变铝合金工件与激光束焦点之间的相对位置，使得在这个时间间隔内，激光束焦点的相对位移量刚好等于被激光汽化蒸发出来的铝合金材料的厚度，因而，在激光打孔的全过程中，可始终保持激光束在照射内区的能量密度不变，以提高所述通孔的精度，减小孔壁的表面粗糙度，优选地，孔径决定于脉冲激光重复照射的次数，孔径决定于单个脉冲激光能量的大小。
[0039]在本发明提供的【具体实施方式】中，所述激光打孔的步骤中还包括采用辅助性气体加速所述铝合金排出。具体地，由供气装置提供的辅助性气体通过喷嘴吹向铝合金工件的待加工区域，即通过辅助性气体射流与铝合金工件相互作用，以加速熔融铝合金排出，也可以加速通孔加工处的温度降低速度，保证热量控制在较小范围内。优选地，所述辅助性气体为氧气、氩气、氦气、氮气或者其他气体。
[0040]在本发明提供的【具体实施方式】中，所述化学溶液的压力范围为Ι-lOMPa。将具有该压力范围的化学溶液从所述通孔之孔径较大一端注入通孔内，并从所述通孔另一端流出，保证该化学溶液完全注入所述通孔内以与具有锥度的孔壁发生化学反应，使通孔内部的直接逐渐趋于一致，而获得没有锥度的通孔。
[0041]在本发明提供的【具体实施方式】中，所述化学溶液为可溶解所述铝合金的碱性溶液或者酸性溶液。利用所述化学溶液与铝合金发生化学反应，以消除通孔锥度。在碱性溶液中，铝与碱性溶液发生如下反应:2A1+20H_+2H20 — 3H2+2A102_，这种反应过程使铝合金腐蚀以达到消除通孔锥度的目的；在酸性溶液中，铝合金中各金属元素与酸性溶液发生化学反应，以腐蚀铝合金从而达到消除通孔内锥度的目的。
[0042]所述碱性溶液为氢氧化钠(NaOH)溶液，所述酸性溶液为硝酸、磷酸、醋酸、盐酸、硫酸中的一种或者多种的混合溶液。在NaOH溶液中，铝与NaOH溶液发生如下反应:2Al+2Na0H_+2H20 — 3H2+2NaA102，这样，铝合金被腐蚀而消除通孔锥度。在酸性溶液中，以盐酸(HCl)为例，铝合金中的铝元素与盐酸溶液发生如下反应:2A1+6HC1 — 3H2+2A1C13，同样地，铝合金中的其他金属元素也与酸性溶液发生化学反应，从而消除通孔内锥度。所述酸性溶液也可以是上述几种酸性溶液的混合物，例如，专利(CN200510044854.0)中所述的由盐酸(36%-38% (重量百分数，下同)的溶液)、硫酸(95%-98%的溶液)、磷酸(不小于85%的溶液)和额外添加的水所组成的化学蚀刻溶液，也可以是其他混合溶液。
[0043]在本发明提供的【具体实施方式】中，所述化学溶液的温度高于室温。为了加快化学溶液对铝合金的腐蚀速度，将化学溶液的温度加热至高于室温的温度，以提高生产效率。室温指约20°C左右(18?25°C )的温度条件。优选地，将所述化学溶液的温度加热至60?70。。。
[0044]请参照图3，本发明【具体实施方式】中提供的铝合金激光打孔装置包括产生激光束40的激光器10、提供所述激光器10能量并控制所述激光束40输出方式的电气控制部20、将所述激光器10产生的所述激光束40聚焦至铝合金工件60的加工部位的光学系统30以及用于放置所述铝合金工件60的工作平台50，所述激光束40在所述铝合金工件60上加工具有锥度的通孔，所述铝合金激光打孔装置还包括输入化学溶液以注入所述通孔内的喷嘴(未图示)，所述化学溶液冲击腐蚀具有锥度的所述通孔。所述电气控制部20包括对激光器10供给能量的电源和控制激光束40输出方式(例如，脉冲式或连续式等)的控制单元。所述激光器10是将电源提供的电能转换为激光能以生成激光束40，所述光学系统30用于将所述激光器10生成的激光束40精确地聚集到铝合金工件60表面的待加工部位，所述光学系统30包括用于对所述激光器10产生的激光束40进行扩束处理的扩束准直镜32、对扩束处理后的激光束40进行反射作用的反射镜34以及将所述反射镜34发射的激光束40聚集并入射至工作平台50上的铝合金工件60表面的聚焦镜36。通过扩束、反射、聚焦形成的高能量的激光束40，照射在铝合金工件60表面，所述激光束40将铝合金表面的待加工区域熔融、气化、蒸发，并形成具有锥度的通孔。所述工作平台50由人工控制或采用数控装置控制，所述工作平台50上方的聚焦镜36下设有吸、吹气装置，以保持工件表面和聚焦镜36的清洁。
[0045]在本发明提供的【具体实施方式】中，所述化学溶液为可溶解所述铝合金的碱性溶液或者酸性溶液。此处所述化学溶液与上述铝合金激光打孔方法中所述的化学溶液的成分与作用相同，此处不赘述。
[0046]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种铝合金激光打孔方法，其特征在于，包括以下步骤: 激光打孔:采用激光束在铝合金工件表面上加工通孔，所述通孔内壁具有锥度； 配置溶液:配置具有腐蚀性的化学溶液；以及 腐蚀通孔:将所述化学溶液注入所述通孔内以对所述通孔的锥度进行冲击腐蚀。
2.如权利要求1所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述激光打孔的步骤中还包括以下步骤: 激光器生成所述激光束； 提供用于传输所述激光束的光学系统；以及 所述光学系统将所述激光束聚集至所述铝合金工件表面。
3.如权利要求1所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述激光束为单脉冲激光束或者多脉冲激光束。
4.如权利要求1所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述激光打孔的步骤中还包括采用辅助性气体加速所述铝合金排出。
5.如权利要求1至4任意一项所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述化学溶液的压力范围为I?lOMPa。
6.如权利要求1至4任意一项所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述化学溶液为可溶解所述铝合金的碱性溶液或者酸性溶液。
7.如权利要求6所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液，所述酸性溶液为硝酸、磷酸、醋酸、盐酸、硫酸中的一种或者多种的混合溶液。
8.如权利要求1至4任意一项所述的铝合金激光打孔方法，其特征在于，所述化学溶液的温度高于室温。
9.一种铝合金激光打孔装置，包括产生激光束的激光器、提供所述激光器能量并控制所述激光束输出方式的电气控制部、将所述激光器产生的所述激光束聚焦至铝合金工件的加工部位的光学系统以及用于放置所述铝合金工件的工作平台，所述激光束在所述铝合金工件上加工具有锥度的通孔，其特征在于，还包括输入化学溶液以注入所述通孔内的喷嘴，所述化学溶液冲击腐蚀具有锥度的所述通孔。
10.如权利要求9所述的铝合金激光打孔装置，所述光学系统包括用于对所述激光器产生的激光束进行扩束处理的扩束准直镜、对扩束处理后的所述激光束进行反射作用的反射镜以及将所述反射镜发射的所述激光束聚集并入射至所述工作平台上的所述铝合金工件表面的聚焦镜。
【文档编号】B23K26/70GK104275554SQ201310284493
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2013年7月8日
【发明者】肖华, 朱宝华, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司