一种气液辅助激光加工微孔的方法及装置与流程

本发明属于特种加工领域，具体涉及一种气液辅助激光加工微孔的方法及装置。

背景技术：

目前，激光加工主要依靠气体辅助进行微孔加工，根据加工材料特性选择不同的辅助加工气体(氧气、氢气、氩气、氮气、压缩空气等)，主要目的或者是加速材料气化、熔化，或者是去除熔渣、减少飞溅物粘连、减少材料热影响区域(气体散热带走部分热量，减少热量累积)，减少材料表面及孔壁氧化，提高材料表面加工质量及孔壁质量。但通过气体辅助作用单一，发现不能很好解决热量累积使材料局部过热变色、热影响区扩大以及熔液飞溅粘连在孔壁或材料表面等问题，严重影响加工质量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种气液辅助激光加工微孔的方法及装置，形成成套加工方法，通过气、液辅助激光微孔加工，实现激光微孔高质量加工，减少飞溅物粘连、减少材料热影响区域(通过气体散热冷却及冷却液散热冷却带走部分热量，减少热量累积)，提高材料表面质量。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种气液辅助激光加工微孔的方法，发射激光束加工待加工位置，同时采用与所述激光束同轴的辅助气体喷射加工位置，同时采用与所述激光束的轴线成一定夹角的辅助液体喷射加工位置。

进一步地，加工参数如下：激光脉冲宽度为0.5～0.8ms、激光脉冲频率为60～100hz、激光功率百分比为70～90％、激光离焦量为-1～1mm、进给速度为60～80mm/min；气体压力为0.6～0.8mpa、气体流量为0.8～1.2nm³/s、气体开关时间间隔为0～1s，其中，0表示常开；液体流量为0.8～1.5l/min、液体压力为6～12mpa、液体温度为15～20℃、液体开关时间间隔为0～10s，其中，0表示常开。

进一步地，所述辅助液体对加工位置以柱状喷射或雾状喷射。

一种气液辅助激光加工微孔的装置，包括激光喷嘴头部，所述激光喷嘴头部的中心开设有用于发射激光束的激光光束通道；

在所述激光喷嘴头部上绕所述激光光束通道的轴线均布开设有若干辅助气体通道，每个所述辅助气体通道的一端用于输入辅助气体，另一端与所述激光光束通道连通，辅助气体通过所述激光光束通道能够与激光束同轴喷射在加工位置；

在所述激光喷嘴头部上绕所述激光光束通道的轴线均布开设有若干辅助液体通道，每个所述辅助液体通道的一端用于输入辅助液体，另一端连接有喷嘴，每个所述喷嘴的轴线与所述激光光束通道的轴线成一定夹角，辅助液体通过所述喷嘴能够喷射在加工位置。

进一步地，每个所述喷嘴为能够喷射柱状液体的柱状喷嘴。

进一步地，每个所述喷嘴为能够喷射雾状液体的雾状喷嘴。

进一步地，每个所述柱状喷嘴上可拆卸连接有雾状喷嘴。

进一步地，每个所述柱状喷嘴的轴线与所述激光光束通道的轴线之间的夹角为35°～45°；每个所述雾状喷嘴的轴线与所述激光光束通道的轴线之间的夹角为35°～45°。

进一步地，还包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块用于控制辅助气体按照预设参数输出，所述第二控制模块用于控制辅助液体按照预设参数输出。

进一步地，所述第一控制模块包括第一模拟量控制模块和第一数字量控制模块，所述第一模拟量控制模块用于控制气体流量和气体压力参数量，所述第一数字量控制模块用于控制气体开与关及气体开关时间间隔参数量；所述第二控制模块包括第二模拟量控制模块和第二数字量控制模块，所述第二模拟量控制模块用于控制液体流量、液体压力和液体温度参数量，所述第二数字量控制模块用于控制液体开与关及液体开关时间间隔参数量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：单一气体辅助的作用主要是去除孔内熔渣、颗粒物、粉尘、材料局部降温、作为保护气体防止激光加工区域氧化等，但在实际加工中单一气体辅助无法满足需要，在加工中会出现较多较大的毛刺(1～2mm)、重熔层(0.04～0.08mm)、热影响区(孔周边5～8mm)，孔棱边不清晰。本发明一种气液辅助激光加工微孔的方法，发射激光束加工待加工位置，同时采用与激光束同轴的辅助气体喷射加工位置，同时采用与激光束的轴线成一定夹角的辅助液体喷射加工位置，通过气、液辅助激光加工微孔，加工质量明显提高，毛刺量减少、毛刺缩小至0.1～0.2mm、重熔层为0.02～0.03mm、热影响区缩小至孔周边2～3mm，孔棱边清晰；气液辅助加工的使用，提高了激光能量，使孔加工深度及加工效率明显提高，加工质量明显得到改善，同时气体(氩气、氦气、高压空气)用量(气体流量)减少，使用成本降低。可见，本发明通过气、液辅助激光加工微孔，实现了激光微孔高质量加工，减少飞溅物粘连、减少材料热影响区域(通过气体散热冷却及辅助液体冷却液散热冷却带走部分热量，减少热量累积)，提高材料表面质量，同时减少粉尘飞扬，减少对加工环境的空气污染。

进一步地，在本发明提供的加工参数下，激光参数、气体参数和液体参数三者优化匹配，控制激光加工参数的同时以气液辅助形式控制小孔的加工质量。在气液辅助参数优化匹配的基础上，可进一步提供激光加工能量，提高小孔加工效率。激光参数、气体参数和液体参数三者优化匹配，可使毛刺数量减少、毛刺缩小、重熔层厚度减薄、热影响区域缩小且孔棱边清晰，加工质量提高，同时气体用量减少，使用成本降低。

进一步地，针对不同的加工材料。加工板厚以及小孔直径及小孔形状，选择不同的液体喷射方式。当材料为不锈钢、高温合金、钛合金且板厚较厚(＞2mm)孔较大(＞φ2mm)时，采用柱状喷射，可有效控制毛刺数量、毛刺大小、重熔层厚度及热影响区域；当材料为碳钢材料、板厚较薄(≤2mm)孔较小(≤φ2mm)时，采用雾状喷射，而不采用柱状喷射，是防止液体量增多后与激光能量共同作用，造成淬火等热处理效应，导致材料性质发生改变，雾状及喷射在此类加工中更能发挥它的雾化吸附作用，更好的控制毛刺数量、毛刺大小、重熔层厚度及热影响区域。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种气液辅助激光加工微孔的装置示意图；

图2为本发明一种气液辅助激光加工微孔的装置控制原理示意图；

图3为本发明一种气液辅助激光加工微孔的装置控制硬件连接流程示意图。

1-激光光束通道；2-辅助气体通道；3-辅助液体通道；4-激光喷嘴头部；5-柱状喷嘴；6-雾状喷嘴；7-辅助液体；8-辅助气体；9-零件；10-微孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明的某一具体实施方式，一种气液辅助激光加工微孔的方法如下：

安装定位零件：在激光加工设备上通过工装安装并定位零件；

激光加工微孔：利用激光加工设备发射激光束加工零件上的待加工位置，同时采用与激光束同轴的辅助气体喷射加工位置，同时采用与激光束的轴线成一定夹角的辅助液体喷射加工位置，具体的，激光加工参数为：激光脉冲宽度为0.5～0.8ms、激光脉冲频率为60～100hz、激光功率百分比为70～90％、激光离焦量为-1～1mm、进给速度为60～80mm/min；输出辅助气体参数为：气体压力为0.6～0.8mpa、气体流量为0.8～1.2nm³/s、气体开关时间间隔为0～1s，其中，0表示常开；辅助气体为氧气、氢气、氩气、氮气或压缩空气等；输出辅助液体参数为：液体流量为0.8～1.5l/min、液体压力为6～12mpa、液体温度为15～20℃、液体开关时间间隔为0～10s，其中，0表示常开；辅助液体即为冷却液介质(纯净水)；

零件表面清理：利用压缩空气风枪吹干净零件表面水渍及污染物；

零件微孔检查：检查微孔加工质量。

本发明中，辅助液体对加工位置可以以柱状的形式喷射或以雾状的形式喷射。

如图1所示，本发明一种气液辅助激光加工微孔的装置，包括激光喷嘴头部4，在激光喷嘴头部4的中心开设有用于发射激光束的激光光束通道1；在激光喷嘴头部4上绕激光光束通道1的轴线均布开设有若干辅助气体通道2，每个辅助气体通道2的一端用于输入辅助气体，另一端与激光光束通道1连通，辅助气体通过激光光束通道1能够与激光束同轴喷射在加工位置，也就是说，辅助气体与激光束形成同轴吹气，吹出的气体如图中的辅助气体8；本实施方式中，在激光喷嘴头部4上绕激光光束通道1的轴线均布开设有两个辅助气体通道2。在激光喷嘴头部4上绕激光光束通道1的轴线均布开设有若干辅助液体通道3，每个辅助液体通道3的一端用于输入辅助液体，另一端连接有喷嘴，每个喷嘴的轴线与激光光束通道1的轴线成一定夹角，辅助液体通过喷嘴能够喷射在加工位置；本实施方式中，在激光喷嘴头部4上绕激光光束通道1的轴线均布开设有两个辅助液体通道3。

优选的，每个喷嘴为能够喷射柱状液体的柱状喷嘴5或每个喷嘴为能够喷射雾状液体的雾状喷嘴6。

如图1所示，本实施方式中，每个辅助液体通道3的另一端连接有一个柱状喷嘴5，每个柱状喷嘴5上可拆卸连接有雾状喷嘴6，这样可方便的根据材料加工特性(材料金属、非金属种类、材料厚度、材料表面质量)及激光加工参数(脉冲宽度、重复频率、激光功率)，选择性使用柱状喷嘴5或雾状喷嘴6来喷射辅助液体7，辅助加工方式灵活，增强了工艺选择性。

如图1所示，每个柱状喷嘴5的轴线与激光光束通道1的轴线之间的夹角为35°～45°，每个雾状喷嘴6的轴线与激光光束通道1的轴线之间的夹角为35°～45°，具体根据实际情况进行调节设置。

本发明使用plc控制系统控制各个参数量的输出，如图2所示，plc控制系统控制第一控制模块和第二控制模块，第一控制模块用于控制辅助气体按照预设参数输出，也就是说，第一控制模块用于实现对辅助气体参数的控制；第二控制模块用于控制辅助液体按照预设参数输出，也就是说，第二控制模块用于实现对辅助液体(冷却液)参数的控制。具体的，第一控制模块包括第一模拟量控制模块和第一数字量控制模块，第一模拟量控制模块用于控制气体流量和气体压力参数量，第一数字量控制模块用于控制气体开与关及气体开关时间间隔参数量；第二控制模块包括第二模拟量控制模块和第二数字量控制模块，第二模拟量控制模块用于控制液体流量、液体压力和液体温度参数量，第二数字量控制模块用于控制液体开与关及液体开关时间间隔参数量。

通过plc控制系统，实现气液辅助激光加工微孔的装置中气体参数量(气体流量、气体压力、气体开与关、气体开关时间)及辅助液体(冷却液)的参数量(冷却液流量、冷却液压力、冷却液温度、冷却液开与关、冷却液开关时间)控制，实现参数量精确控制。

当然，本发明除了通过气液复合辅助外，还能够根据材料加工特性及激光加工参数可通过plc控制系统选择不同的辅助方式(气体辅助、液体辅助、气液复合辅助)。在气液复合辅助中还可通过冷却液开关时间及气体开关时间实现任意气液复合辅助加工交替组合，进一步增强工艺选择性。

本发明气液辅助激光加工微孔的装置的控制硬件连接流程如图3所示，plc控制器通过第一控制模块连接辅助气体系统，辅助气体系统通过承压气体管路连接，在承压气体管路上通过第一电磁阀连接气体流量计，通过第二电磁阀控制气体压力计，最终通过承压气体管路将参数量可控的辅助气体接入气液辅助激光微孔加工装置辅助气体系统接入端(即图1中的辅助气体通道2的输入端)，实现辅助气体激光微孔加工。plc控制器通过第二控制模块连接辅助液体系统，辅助液体系统通过承压液体管路连接，在承压液体管路上通过第三电磁阀连接液体流量计，通过第四电磁阀连接液体压力计，连接温度传感器测量液体温度，最终通过承压液体管路将参数量可控的液体接入气液辅助激光微孔加工装置辅助冷却液系统接入端(即图1中的辅助液体通道3的输入端)，实现辅助冷却液激光微孔加工。

plc控制器通过第一控制模块和第二控制模块连接相关控制硬件，辅助气体、辅助液体通过承压管路连接后，最终分别接入气液辅助激光微孔加工装置(图1所示)的辅助气体系统接入端(图1中的辅助气体通道2的输入端)及辅助冷却液系统接入端(图1中的辅助液体通道3的输入端)，同时实现气、液辅助激光微孔加工。

另外，本发明可根据材料加工特性(材料金属、非金属种类、材料厚度、材料表面质量)及激光加工参数(脉冲宽度、重复频率、激光功率)，选择不同的辅助方式，可选气体辅助(氧气、氢气、氩气、氮气、压缩空气等)、液体辅助(高压冷却水)、气液复合辅助，液体辅助时还可选择冷却液雾状喷射辅助或冷却液水柱状喷射辅助等不同的辅助加工方式，辅助加工方式灵活，增强了工艺选择性，实现激光微孔高质量加工。

以某型筛网加工为例：φ100mm筛网同心圆周分布2000多个φ0.5mm微小孔，筛网壁厚δ＝0.5mm，筛网为高温合金材料，要求筛网表面无飞溅物粘连、无烧伤变色、无热量积累导致的筛网变形。其步骤是：

(1)安装定位零件：在激光加工设备上通过工装安装并定位零件。

(2)确定激光加工参数：在程序中设置加工参数如下：

激光加工主要工艺参数：1)确定激光脉冲宽度为0.6ms；2)确定脉冲频率为100hz；3)确定激光功率百分比为85％；4)确定离焦量为0mm；5)确定进给速度为80mm/min。

(3)确定气液辅助加工参数：通过plc控制器设置合理的气液辅助加工参数如下：

气液辅助加工主要工艺参数：1)气液辅助方式为气液复合辅助；2)气体辅助气源为氩气；3)气体压力为0.8mpa；4)气体流量为0.8nm³/s；5)气体开关时间间隔为0，即常开；6)辅助液体冷却液介质为纯净水；7)冷却液流量为0.8l/min；8)冷却液压力为6mpa；冷却液温度控制为15～20℃；9)液体开关时间间隔为0，即常开；10)冷却液喷射方式：水雾状喷射。

(4)激光加工微孔：利用激光加工设备(激光加工喷嘴为气液辅助激光加工微孔的装置(图1所示))，定位加工微小孔。

(5)零件表面清理：利用压缩空气风枪吹干净零件表面水渍及污染物。

(6)零件微孔检查：检查微孔加工质量。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。