一种激光加工小孔的方法与流程

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种激光加工小孔的方法。

背景技术：

如附图1所示，目前激光加工小孔主要有定点冲击法、旋转切割法和螺旋线进给旋切加工法。

长期以来，毫秒激光制孔由于加工效率高、穿透深度大、加工工艺及激光器件成熟度高等特点，在航空发动机热端部件等较大深度(一般在1mm以上，最深甚至超过10mm)及孔径(一般0.25-1.2mm)的小孔加工应用中一直占据主流地位。但毫秒激光制孔由于脉冲作用时间长、功率密度相对低，材料去除机制以熔化为主，不可避免产生较大的热影响，产生再铸层、甚至微裂纹等热致缺陷，孔壁粗糙度差，圆整度等尺寸精度不高，已不能满足高性能航空发动机单晶涡轮叶片以及汽车发动机燃油喷嘴喷油孔等小孔加工孔壁质量及精度等技术要求。

而纳秒、皮秒、飞秒脉冲激光加工小孔由于与材料作用时间大幅度缩短，激光功率密度至少提高两个数量级，因此材料去除以气化机制为主，对作用区域周边热影响小得多，而且采用填充法加工小孔再铸层更薄，甚至得到几乎无再铸层小孔。上述脉冲激光加工小孔技术已在航空发动机叶片、燃油喷嘴喷油孔等较大深度及孔径小孔的加工中得到应用，也可以用于异型孔加工，见附图2(b)所示。

但纳秒、皮秒、飞秒脉冲激光由于脉冲能量低，且多采用填充加工方法，在实际应用中效率低。为了提高加工效率，需要更高的平均功率，但试验中发现更高功率条件下加工小孔孔壁质量变差，例如纳秒激光加工小孔，在入口区域围绕孔壁会均匀存在厚度低于5微米的再铸层，如附图3所示。

而更大功率皮秒、飞秒脉冲激光制孔，虽然仍然几乎无再铸层，但孔壁质量不稳定，一致性变差，例如存在局部烧蚀区域，甚至存在大约厚度或深度在2微米左右的不规则的烧蚀弧坑、浅槽等，如附图4所示。另外，填充加工异型孔，在异型孔扩散段存在明显的重凝物堆积，见附图5所示。

鉴于此，如何提供一种激光加工小孔的方法，可以进一步提高纳秒、皮秒、飞秒激光加工小孔孔壁表面质量是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种激光加工小孔的方法。首先填充加工出初始通孔，然后对已有孔壁采用相同工艺参数依次进行稍放大尺寸的再次加工，解决了激光制孔时，孔壁存在极薄再铸层或出现弧坑、局部烧蚀等质量问题，本发明的方法有效提高了小孔孔壁的加工质量。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种激光加工小孔的方法，包括如下步骤：

步骤一、采用分层扫描填充方式加工出初始通孔，所述初始通孔包括圆孔和异型孔；步骤二、每层扫描填充加工路径的最外侧轮廓加工路径放大一定尺寸作为加工路径再次进行加工；其中，所述步骤一与所述步骤二采用同一激光聚焦加工设备在相同的工艺参数条件下于同一加工程序中连续完成。

进一步地，所述步骤一和所述步骤二由由配置扫描振镜的激光聚焦加工设备实施并且同轴辅助吹气。

进一步地，所述激光的脉冲宽度包括纳秒、皮秒或飞秒数量级。

进一步地，所述步骤二加工孔壁的轮廓路径尺寸比所述步骤一扫描填充加工路径的最外侧轮廓尺寸周向均匀扩大0.01-0.03mm。

进一步地，激光加工过程中激光的平均功率、脉冲能量保持恒定。

(3)有益效果

本发明方法基于扫描振镜形成加工路径，并采用同一激光束及其工艺装置即可完成加工工作，无需二次加工，也无需调整工艺参量。

本发明方法首先选用扫描填充加工方法加工出初始通孔；然后再采用初始通孔扫描填充加工路径的外轮廓并适当放大对已加工通孔孔壁进行再次加工，从而孔壁初始加工所产生的再铸层、局部烧蚀层以及其中的弧坑、浅槽等缺陷予以去除，因此解决了现有技术中纳秒、皮秒、飞秒短脉冲激光更高功率条件下加工小孔孔壁质量变差或不稳定的问题，实现了纳秒激光加工小孔孔壁亦无再铸层，具有非常高的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是现有技术中三种典型的激光制孔方法的示意图。

图2是圆孔与异型孔的结构示意图。

图3是现有技术中纳秒激光填充加工圆孔孔壁的金相图片。

图4是现有技术中较大功率的皮秒激光填充加工圆孔孔壁显微照片。

图5是本发明一实施例所示填充加工异型孔入口的显微照片。

图6是本发明一实施例填充加工圆孔的原理示意图。

图7是本发明一实施例填充加工异型孔扩散段部分的原理示意图。

图8是本发明一实施例对圆形初始通孔的填充加工路径最外侧的轮廓放大一定尺寸作为加工路径加工孔壁轮廓的原理图。

图9是采用本本发明实施例所示方法应用于圆孔得到的的显微照片。

图10是采用本本发明实施例所示方法应用于异型孔得到的的显微照片。

图11是采用本本发明实施例所示方法应用于纳秒激光加工圆孔得到的金相显微照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图5-附图11并结合实施例来详细说明本申请。

根据本发明实施例的一种激光加工小孔的方法，可以包括如下步骤：

步骤一、填充加工出小孔：采用分层扫描填充方式加工出初始通孔，所述初始通孔包括圆孔和异型孔。例如，圆孔采用多个同心圆的加工路径由里向外循环往复在工件上的加工位置处加工出圆柱形通孔，同心圆间距保证激光的重叠无间隙，以去除孔内所有材料，即填充式去除材料，见附图6，示例中为同心圆1，2，3，4，5，同心圆5为加工路径的最外侧轮廓，五个同心圆的加工路径，加工顺序为首先依照1路径进行加工，然后依次由2路径、3路径、4路径、5路径进行加工；异型孔扩散段加工采用类似方式，见附图7，首先对异型孔扩散段三维数模沿孔轴方向进行分层切片得到附图7(a)所示的每层轮廓，再生成每层的扫描填充路径，如附图7(b)所示，类似于加工圆孔的从里到外的多个封闭轮廓，示例中为某层选用了6个螺旋式的轮廓。

步骤二、对已加工孔孔壁进行再次加工：对步骤一加工出的初始通孔的每层扫描填充加工路径的最外侧轮廓加工路径放大一定尺寸作为加工路径再次进行加工，采用稍微大于填充路径最外面同心圆方式进行每层扫描填充加工，如附图5中同心圆5；同样见附图8，即同心圆6，或异型孔扩散每层最外面轮廓(附图中最外面轮廓6)尺寸同样稍微放大的加工路径对所述初始通孔的边缘进行不少于一次的循环往复加工。

本发明实施例提供的激光加工小孔的方法，与其他技术相比，首先采用填充加工法加工出小孔，具有再铸层薄的优点；同时考虑到小孔孔壁仍存在极薄再铸层或出现弧坑、局部烧蚀等情况，在此基础上，本发明实施例对步骤一加工出的小孔再采用步骤二再次加工初始通孔孔壁且加工路径外轮廓尺寸略大于步骤一填充加工时的最外侧轮廓尺寸的设置，可以将孔壁上的再铸层、烧蚀层等进一步去除，由此可以进一步提高小孔孔壁的质量。实施效果见附图9、附图10和附图11所示，其中，附图9与附图4相对比，附图10与附图5相对比，孔壁已无任何重凝物堆积；附图11与附图3相对比，附图11(a)为纳秒激光加工圆孔的纵截面全貌金相照片，附图11(b)为该孔的局部金相照片，可见经过本发明实施例方法加工后孔壁质量明显改善

综上所述，本发明实施例首先选用填充加工方法加工出小孔形貌；然后再选用同样的稍微放大尺寸的外轮廓加工来光饰小孔孔壁，以去除步骤一加工导致的孔壁再铸层、烧蚀弧坑、异型孔扩散段重凝物堆积等缺陷，这样得到的小孔孔壁质量明显改善。

根据本发明的又一实施例，步骤一和步骤二可以由扫描振镜实施。由此，可以采用同一加工设备和该加工设备上的同一激光束加工，具有一次加工成型的优点，无需二次加工，无需调整工艺参数；确保步骤一和步骤二加工过程中参数不变、工件位置统一，从而能大大提高加工质量。

根据本发明的又一实施例，步骤二加工时的同心圆半径为对应步骤一填充加工时最外面同心圆的半径加0.02mm±0.01mm，也就是0.01mm-0.03mm之间。异型孔扩散段类似。进一步地，本发明实施例的激光加工过程中激光的平均功率、脉冲能量保持恒定。保持激光的平均功率、脉冲能量处于恒定状态有助于获得均匀性一致的小孔孔壁，同时可以利用一种加工装置的一种参数进行一次加工，无需调整工艺参量，一次性自动完成。

根据本发明的又一实施例，激光的脉冲宽度包括纳秒、皮秒或飞秒数量级。如前所述，目前的毫秒激光制孔技术虽然穿透深度大，但材料去除机制以熔化为主，不可避免产生较大的热影响，容易在小孔孔壁上产生再铸层、甚至微裂纹等热致缺陷，孔壁粗糙度差，圆整度等尺寸精度不高。而纳秒、皮秒、飞秒数量级的脉冲激光加工小孔与材料作用时间大幅度缩短，激光功率密度较毫秒脉冲有两个及两个以上数量级的提高，因此材料去除以气化机制为主，对作用区域周边热影响小得多，得到的小孔孔壁的的再铸层很薄，能大幅度提高小孔孔壁质量。

进一步地，本发明实施例的激光加工小孔的加工过程中，持续向所述小孔内通入保护气。激光加工小孔过程中会在小孔内产生大量的热量，工件在热量作用下温度急剧上升，高温工件在五保护气的情况下极易与空气发生氧化反应在小孔孔壁上形成氧化层。因此，保护气的通入可以避免氧化层的产生，有利于提高小孔孔壁质量。

具体地，所述的保护气为惰性气体。惰性气体不活泼、无毒，对环境友好，能确保小孔孔壁与空气隔开，避免形成氧化层影响加工质量。

需要说明的是，本发明实施例所示的小孔为通孔。

下面以另一个具体的对比验证来说明本发明实施例。

首先，实验组选用根据本发明实施例中的纳秒激光加工小孔时，选用扫描振镜来实施，扫描振镜输出激光的平均功率为40w，脉冲能量6mj，填充加工2mm深小孔，最终得到孔壁基本无再铸层小孔，见附图11。

对比组选用扫描振镜来实施，扫描振镜按照现有技术中常用的方式操作，扫描振镜输出激光的平均功率为40w，脉冲能量6mj，填充加工2mm深小孔。加工结束后观察小孔的再铸层明显存在，尤其是邻近孔入口孔壁区域，仍存在5m左右的再铸层，孔入口边缘处再铸层沉积更多，偏厚，见附图3所示。

上述对比验证是采用以上参量的激光完成，但本发明保护的范围，并不局限于上述参量。

综上所述，本发明实施例首先选用填充加工方法加工出小孔形貌；然后再选用同样的稍微放大尺寸的外轮廓加工来光饰小孔孔壁，以去除步骤一加工导致的孔壁再铸层、烧蚀弧坑、异型孔扩散段重凝物堆积等缺陷，这样得到的小孔孔壁质量明显改善。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。