一种激光冲孔装置的制作方法

本实用新型涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光冲孔装置。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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。

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。

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。

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

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。本实用新型中所说的固定连接，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用于将第一激光分成至少两束第二激光，整形器4用于对第一激光进行整形，使第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中心能量。

光源模块、分束器3和整形器4均和控制模块连接，控制模块用于控制光源模块发射激光，控制模块用于控制分束器3进出光路，控制模块用于控制整形器4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11表面。即第一激光通过聚焦模块聚焦至基材11表面，第二激光也通过聚焦模块聚焦至基材11表面。

上述激光冲孔装置，光源模块发射第一激光，并通过光路传输模块进行传输，控制模块控制的分束器3进入光路中，分束器3将第一激光分成至少两束第二激光，第二激光通过聚焦模块聚焦至基材11表面，在基材11的涂层上形成裂纹网。接着，将分束器3移出光路，调节第一激光的能量，第一激光通过聚焦模块聚焦至基材11形成有裂纹网的区域，在基材11形成有裂纹网的区域冲击形成初始孔。然后，将整形器4移入光路，第一激光通过整形器4，整形器4调整第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中心能量，第一激光在基材11上形成有初始孔的区域扩孔，直到形成所需孔径的目标孔。

上述激光冲孔装置，首先采用分束器3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11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3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4将激光整形为中心区域能量低边缘区域能量高的激光，可以对初始孔进行扩孔，在基材11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11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，以利于后续修孔工序的进行，最终得到合适冷却孔。通过采用上述激光冲孔装置，具有冲孔后涂层质量好、孔径一致性高，内壁光洁度高、加工效率快等优点，并为后道修孔工序打下良好基础。

可以理解，基材11的涂层可以为陶瓷涂层。

在一个实施例中，激光器1为长脉冲激光器，用以提供高能量的激光脉冲。第一激光脉宽0.2-50ms，最大单脉冲能量10-50j，最高单脉冲峰值功率10-50kw。

光路传输模块用以将第一激光由光源模块传输至激光调制模块。在一个实施例中，光路传输模块包括沿光路依次设置的反射镜2、光阑和准直扩束镜。光路传输模块还可以包括其他光学元件。

激光调制模块用以将高斯光进行整形调制。

分束器3可以根据需求选用合适的规格将第一激光分成若干束，经聚焦后可形成多个焦点。具体的，分束器3用于将第一激光分成10-40束第二激光。第一激光光束通过分束器3后形成多束第二激光，继而通过聚焦模块聚焦成包括多个焦点的圆形阵列，焦点数量为10-40个，阵列面积为φ0.4-φ0.7mm。

在一个实施例中，整形器4可将高斯光整形成边缘能量高中心能量低的m形光模式。

在一个实施例中，分束器3和整形器4两个衍射光学元件分别安装在导轨5上。通过电机可分别控制分束器3和整形器4在导轨5上移动，从而实现分束器3和整形器4分别在光路上移入与移出，从而决定作用在基材11上的激光模式。可以理解，分束器3和整形器4也可以通过其他方式进入或移出光路。

在一个实施例中，聚焦模块包括一个聚焦镜6，焦距f为100～250mm。

在一个实施例中，激光冲孔装置还包括孔型监测模块，孔型监测模块用于监测基材11上冲孔的孔型。孔型包括孔锥度和孔径大小等。

进一步的，孔型监测模块包括x光管7和探测器8，x光管7和探测器8分别分布在基材11的两侧，在冲孔加工过程中，x光管7发射出x射线，x射线穿过基材11，并由探测器8接收信号并显示出基材11上的冲孔的孔型。孔型监测模块还可对冲孔孔型，如孔锥度、孔径大小进行实时监测。

在一个实施例中，激光冲孔装置还包括流体喷射模块，流体喷射模块包括流体喷射管9。流体喷射模块的流体喷射管9面对基材11的冲孔位置设置，流体喷射模块用于喷射液氮进行基材11表面的冷却。采用流体喷射模块喷射液氮进行基材11的快速冷却，可实现材料低温脆性。

进一步的，在冲孔加工时，流体喷射模块还可以连接气源，气源和流体喷射管连通。流体喷射模块还用于喷射气体，气体用于将基材11冲孔过程中形成的碎屑清除。气体可以为压缩空气或氩气等惰性气体。

在一个实施例中，控制模块为工控机10。控制模块可用于光源模块发射激光参数的调整。激光参数包括激光的脉冲宽度，最大单脉冲能量，最高单脉冲峰值功率等。控制模块用于对激光调制模块中的分束器3和整形器4进行位置切换。控制模块还用于根据孔型监测模块中的孔型监测结果对激光参数进行实时调整。

此外，还提供一种激光冲孔方法，包括以下步骤：

s10、在基材11的涂层表面采用激光形成裂纹网。

s20、在基材11形成有裂纹网的区域采用激光冲击形成初始孔，初始孔的直径小于目标孔的直径。

s30、在基材11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。

传统的带有涂层的基材11的冲孔方法中，采用具有高单脉冲能量的长脉冲激光器作用在带涂层工件表面后，是通过热熔的方式去除材料，因此加工过程中存在很大的热应力，使得陶瓷涂层容易出现开裂、翘曲甚至剥落现象，从而失去涂层应有的效果。而如果降低单脉冲能量进行冲孔，则难以将材料快速冲透，或孔径过小，如在冲孔的过程中采用多个低能量脉冲重复作用，较长时间内多个脉冲的热量累计，材料温度亦会急剧升高，导致涂层因热应力而产生类似高能量冲孔时的破坏现象。此外，采用长脉冲激光冲孔的孔径大小一致性较差，内壁残留有熔渣及重铸层，光洁度较差，阻碍了后续修孔精度的提高。

本实用新型的激光冲孔方法中，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。

本实用新型的激光冲孔方法中，形成裂纹网时激光能量较小。冲击形成初始孔时，激光能量较大。扩孔形成目标孔时，激光能量较小。即冲击形成初始孔时的能量大于形成裂纹网和目标孔时的能量。

在一个实施例中，s10的步骤为：将第一激光分成两束以上的第二激光，并调制第二激光的焦点的单脉冲能量为0.05-1j，将第二激光聚焦于基材11表面，使基材11表面的涂层在第二激光的冲击下形成裂纹网。

具体的，第一激光被分成10-40束第二激光，第二激光通过聚焦镜6聚焦形成包括10-40个焦点的圆形阵列。

第二激光的峰值功率为1-3kw，脉冲个数为1-3个。

s20中，采用中心能量高、边缘能量低的高斯光进行冲初始孔，单脉冲能量高，以实现带涂层的基材11的快速冲透，初始孔的直径略小于微裂纹网面积。

s20的步骤为：调节第一激光的单脉冲能量为10-50j，在基材11上形成有裂纹网的区域采用第一激光冲击形成初始孔。

在一个实施例中，s20中，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，s20的步骤前，还包括通过对基材11的表面涂层区域进行喷液氮处理的操作。具体的，喷液氮处理的时间约2-10s。喷液氮处理可以使基材11表面快速冷却，通过低温处理增大陶瓷涂层材料脆性，以利于激光冲击形成微裂纹。

s30中，通过整形器4得到中心区域能量低、边缘区域能量高的聚焦光斑，且边缘区域能量密度较低，不至于使涂层出现开裂、翘曲或剥落现象，但高于材料损伤阈值，以实现小能量连续扩孔加工。

在一个实施例中，s30的步骤为：对第一激光进行整形处理，使得第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中间能量，调整第一激光的单脉冲能量大小为20-50j，以控制光斑的边缘的峰值能量在基材11的损伤阈值之上，采用整形后的第一激光对初始孔进行扩孔，在初始孔的基础上冲击形成目标孔，目标孔的孔径大于初始孔的孔径。

在一个实施例中，s30中，对第一激光进行整形处理，使得第一激光焦点处光斑的边缘能量高于中间能量的步骤中，整形后的第一激光焦点处光斑为m形光斑。

采用整形后的第一激光冲击基材11形成有初始孔的区域，在初始孔的基础上冲击形成目标孔的步骤中，整形后的第一激光的焦点的直径和目标孔的直径相等。

采用整形后的第一激光冲击基材11形成有初始孔的区域，在初始孔的基础上冲击形成目标孔步骤中，还包括对在基材11上形成目标孔的过程中对目标孔的孔型监测，当目标孔的孔径大小达到预设的孔径大小时，停止冲孔；当目标孔的孔径大小小于预设的孔径大小时，继续冲孔，直至目标孔的孔径大小和预设的孔径大小相等。

孔型监测可以采用孔型监测模块进行。采用x射线对冲孔孔型进行在线监测，通过判读孔径大小以自动控制冲孔脉冲个数，当冲孔孔径满足要求后自动停止加工。

采用整形后的第一激光冲击基材11形成有初始孔的区域，在初始孔的基础上冲击形成目标孔步骤中，还包括对基材11进行冲孔的地方吹气进行碎屑清除的操作。

上述激光冲孔方法中，通过控制模块可调制得到不同的激光模式及参数分别进行不同阶段的激光加工。

上述激光冲孔方法可以采用图1所示的激光冲孔装置对有涂层的基材11进行冲孔。具体操作如下：

(1)通过流体喷射管9对所要加工的表面涂层区域进行喷液氮处理，时间约5-6s，使表面快速冷却，增大陶瓷涂层的低温脆性。

(2)通过控制模块使得激光调制模块中的分束器3进入光路中，光束通过分束器3后形成多光束第二激光，继而通过聚焦镜6聚焦成包括多个焦点的圆形阵列，焦点数量为10-40个，阵列面积为φ0.4-φ0.7mm。调制激光器参数使得各焦点的第二激光单脉冲能量为0.05-1j，峰值功率为1-3kw，脉冲个数为1-3个，当其作用在低温的陶瓷表面，使涂层破坏，由于脉冲能量低，各焦点仅在附近区域破坏材料，并在各个焦点之间形成微裂纹网，微裂纹网面积略大于焦点阵列面积。

(3)通过控制模块使得分束器3移出光路，光束恢复为单光束状态，且为高斯光。调整激光器参数在带涂层材料上进行冲孔，单脉冲能量为10-50j，峰值功率10-50kw，脉冲个数为3-10个。同时通过吹压缩空气或氩气等其它气体进行除渣，气压0.3-0.5mpa，所冲出孔径大小约为φ0.2-0.5mm，小于上一步骤中的微裂纹网面积。此时冲孔会产生较强的热应力，但由于涂层表面微裂纹网的存在，热应力得到释放，从而有效防止涂层开裂、翘曲及剥落等异常现象。通过该初始孔加工，使得进一步冲孔加工时排渣更为顺畅，散热更为迅速，从而提高孔壁加工质量。

(4)通过控制模块将整形器4转移至光路中，使得焦点处光斑整形成边缘能量高中间能量低的m形光模式。光斑大小约等于最终要求冲孔孔径大小，直径为0.5-1mm。由于将高斯光整形为m形光后，m形光边缘区域的峰值能量相比高斯光要小，因此其加工能力相对较低。适当调整整个激光脉冲能量大小为20-50j，以控制m形光边缘区域的峰值能量在材料损伤阈值之上，再通过吹气散热，可去除材料且不会产生热累积导致的涂层分层、翘曲及剥落等破坏现象，从而实现扩孔加工。

(5)在采用m形光进行扩孔时，开启孔型监测模块对孔型进行监测，当孔径达到要求大小时，则停止冲孔，反之则通过控制模块使激光器1继续发射脉冲激光，以扩大孔径，直至所监测的孔径满足要求，此时加工自动结束。

实施例1

如图1所示，一种激光冲孔装置，包括激光器1、反射镜2、分束器3、整形器4、导轨5、聚焦镜6、x光管7、x光探测器8、流体喷射管9、工控机10以及带涂层材料样品11。

激光器1为长脉宽激光器，用以提供高能量的脉冲激光12，脉宽0.2-10ms，最大单脉冲能量50j，最高峰值功率20kw。

反射镜2用以传输激光。

分束器3及整形器4为衍射光学元件，分别安装在导轨5上，通过电机控制实现其在光路上移入与移出，从而决定作用在材料上的激光模式。其中分束器3可将光束分成10束光，并经聚焦镜6聚焦成焦点阵列，整形镜4可将高斯光整形成边缘能量高中心能量低的m形光。

聚焦镜6的焦距为f＝150mm。

x光管7及x光探测器8分别分布在加工对象两侧，在冲孔加工过程中，x光管7发射出x射线并穿过带涂层的基材，并由x光探测器8接收信号，从而可以对孔径进行监测。

流体喷射管9可通过切换进行液氮和压缩空气两种流体的喷射作业。

工控机10用以对激光调制模块中的不同衍射光学元件进行位置切换，并根据孔型监测模块中的孔型监测结果对激光参数进行实时调整。

实施例2

一种激光冲孔方法，包括如下各步骤。

(1)通过流体喷射管9对所要加工的表面涂层区域进行喷液氮处理，时间约5-6s，使表面快速冷却，增大陶瓷涂层的低温脆性。

(2)通过工控机10使得分束器3进入光路中，如图2所示，光束通过分束器后形成19束激光，继而通过聚焦镜聚焦形成多焦点圆形阵列13，焦点数量亦为19个，阵列面积约为φ0.5mm。调制激光器参数使得各作用焦点的激光单脉冲能量为0.2j，峰值功率为1.2kw，脉冲个数为2个，当其作用在低温的陶瓷涂层14上时，使涂层破坏，并在各个焦点之间形成微裂纹网15。

(3)在陶瓷涂层14形成微裂纹网15后，如图3所示，通过工控机10使得分束器3移出光路，激光12恢复为单光束状态，且为高斯光，调整激光器参数在带涂层材料上进行冲孔，单脉冲能量为8j，峰值功率10kw，脉冲个数为5个，同时通过吹压缩空气进行除渣，气压0.4mpa，所冲出孔径大小约为φ0.35mm，涂层未出现开裂及剥落等异常现象。

(4)如图4所示，通过工控机10将整形器4转移至光路中，使得激光12整形成边缘能量高中间能量低的m形光模式，光斑直径约φ0.7mm，再次调整激光脉冲能量大小为20j，峰值功率15kw，并逐个脉冲进行冲孔，以将孔径扩大。

(5)在采用m形光进行扩孔时，通过x光管7及x光探测器8配合对孔型进行监测，当孔径达到要求大小时，则停止冲孔，反之则通过工控机10使激光器继续发射脉冲激光12，以扩大孔径，直至所监测的孔径满足要求，此时加工自动结束。

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，以利于后续修孔工序的进行，最终得到合适的冷却孔。通过采用上述激光冲孔装置和激光冲孔方法，具有冲孔后涂层质量好、孔径一致性高，内壁光洁度高、加工效率快等优点，并为后道修孔工序打下良好基础。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。