一种超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置的制作方法

本技术涉及激光加工领域，特别涉及一种超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置。

背景技术：

1、随着激光技术的不断发展，激光打孔以其无接触、无工具损耗、加工速度快、表面质量好等优势满足越来越多产业的需求。在微细孔加工方面，激光打孔技术较传统加工方法具有孔深径比大、加工质量好等优势，逐渐取代了传统钻孔，因此对激光打孔的质量要求也越来越高，尤其是在工业中对于金属材料的加工。激光打孔技术的主要问题是如何有效去除材料残渣，以提高激光能量与材料的作用率，通常采用的方法是在打孔位置喷射高压气体(压缩空气或惰性气体)去除打孔过程中产生的高热致密的气态材料和等离子体甚至是熔融金属，但当孔径过小或深径比过大时，对于孔底部的材料去除率并不明显。

2、针对以上问题，目前的解决办法主要有使用超短脉冲激光如皮秒激光器进行微孔的加工，超短脉冲激光与材料作用时可以直接将材料气化蒸发，近似于“冷”加工，可直接获得良好的加工质量，但是超短脉冲激光器成本较高。对于如何提高短脉冲激光甚至是长脉冲激光的打孔质量，国内外学者尝试通过外加物理场辅助激光打孔，以期提高去除材料熔渣和等离子体的速度，从而提高激光能量与材料的作用效率。现有技术公开了一种电磁场耦合辅助激光打孔的装置，该装置利用带电粒子在磁场中的运动原理,及旋转磁场在导体中产生的自感电流，控制激光打孔过程中产生的等离子体及金属粒子的运动,以实现优化激光打孔效果的目的。同时，通过旋转电场和磁场对等离子体的作用,削弱了激光打孔过程中出现的等离子屏蔽效应，增加了脉冲激光对金属材料的材料作用率,加快了打孔速度。但是，打孔过程中产生的熔融态和气态的金属材料若不及时从孔中排出，仍会影响激光脉冲与孔深处的材料的接触，对材料的去除率和打孔速度产生了一定影响。该方法对打孔过程中产生的等离子体和气态金属作用较大，但对产生的熔融态金属去除效果不大。现有技术公开了一种激光打孔装置，该装置使用垂直于激光束的电极板产生电场力排出激光打孔过程中的气态材料和等离子体，避免激光能量过多的等离子体云团吸收，从而提高激光对材料的作用效率。不足之处与电磁场耦合辅助激光打孔装置一样对于熔融态金属的去除能力不佳。现有技术公开了一种旋转电磁场辅助激光打孔的装置，该装置利用等离子体在电磁场中受到的洛伦兹力使其作为第二热源向着熔池运动，提高了打孔的效率，但是会使孔径不受控的增大，有悖于对微孔进行精密加工的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种超声振动-外加电场复合能场辅助激光打工装置，通过超声振动和外加电场加速去除打孔过程中产生的熔融金属和等离子体，从而实现提高打孔质量和效率的目的。

2、本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜和夹具，所述聚焦透镜设于夹具和反射镜之间，加工件通过固定螺钉被固定于夹具上，脉冲激光器发出的脉冲激光束由反射镜和聚焦透镜引导至加工件表面，所述夹具固定于超声波振动台上，且所述夹具两侧设有正负两电极板。

4、进一步，所述脉冲激光器连接计算机，所述计算机用于控制所述脉冲激光器。

5、进一步，所述超声波振动台连接超声波发生器，由超声波发生器为其传输振动信号，带动加工件产生高频振动。

6、进一步，所述超声波发生器由稳压交流电源为其提供电力。

7、进一步，所述超声波振动台通过紧固螺钉固定于底座上。

8、进一步，所述电极板通过支架设于夹具两侧，且所述支架固定于底座上。

9、进一步，所述电极板两端连接稳压交流电源，所述稳压交流电源与电极板之间设有整流器，用于将交流电压转换为直流电压，使得加工件位于匀强电场中。

10、进一步，所述电极板两端并联有滑动变阻器和电压表，用于调整所述电极板两端电压并测量其电压值。

11、进一步，所述正负两电极板平行放置，且正负两电极板的间距可调节。

12、进一步，所述正负两电极板之间的电压大小为150v-300v；所述超声波振动台的振动幅度为3-30μm，所述超声波振动台的振动频率为20khz～80khz。

13、进一步，所述正负两电极板之间距离为激光打孔直径的4-8倍。

14、本实用新型的有益效果在于：

15、1.本实用新型所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，针对单一的超声振动对打孔时产生的激光诱导的等离子体云的去除效果不明显的缺点，通过复合能场对产生的熔融、蒸发态金属和等离子体(电子/离子)同时产生作用，发挥各自能场的优势，使激光打孔的深度，质量和效率较单一的能场有进一步的提升，尤其是在加工高深径比的微孔时，可以更好的控制锥度并提高烧蚀深度。

16、2.本实用新型所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，在激光加工的同时超声振动信号激励加工物体作高频的微米级振动，即激光加工为主要加工，超声振动辅助加工，物体的高频振动能够加快激光烧蚀区域的空气流动，对加工的残渣起到振动抛出的效果，降低了熔渣残留在加工表面形成重铸层，减少微裂纹产生，提高内表面质量，并降低粗糙度。

17、3.本实用新型所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，外加电场可对打孔时产生的等离子体施加电场力，利用外加电场对带电粒子的作用力，使等离子体发生偏移，削弱了等离子体屏蔽现象，在激光入射方向的等离子体云密度下降，从而大大降低了激光能量的损失，并提高后续脉冲激光对材料的烧蚀速率，使得加工速率和效率得到提升。

18、4.本实用新型所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，复合了超声振动和外加电场，分别针对打孔过程中产生的熔融金属材料和等离子云团进行去除，克服了单一能场对熔融材料或等离子体去除效果不足的缺点。防止孔壁产生微裂纹，提高了打孔质量、打孔重复性精度和孔的圆度精度；同时由于熔融金属材料和等离子云团的排出，增加了单个脉冲激光的材料去除率，加快了打孔速度；在改善激光打孔质量的同时，还能有效防止加工产生的微粒对光学元器件的污染和损坏。

技术特征：

1.一种超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，包括脉冲激光器(17)、反射镜(1)、聚焦透镜(2)和夹具(5)，所述聚焦透镜(2)设于夹具(5)和反射镜(1)之间，工件(15)通过固定螺钉(4)被固定于夹具(5)上，所述脉冲激光器(17)发出的脉冲激光束(18)经过反射镜(1)和聚焦透镜(2)引导至工件(15)表面，所述夹具(5)固定于超声波振动台(7)上，用于使工件产生高频振动；所述夹具(5)两侧设有正负两电极板(3)，使工件(15)处于匀强电场中。

2.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述脉冲激光器(17)连接计算机(16)，所述计算机(16)用于控制脉冲激光器(17)发出脉冲激光束(18)。

3.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述超声波振动台(7)连接超声波发生器(13)，通过超声波发生器(13)控制超声波振动台(7)的振幅和振动频率。

4.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述电极板(3)通过支架(6)设于夹具(5)两侧，且所述支架(6)固定于底座(9)上；所述超声波振动台(7)通过紧固螺钉(8)固定于底座(9)上。

5.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述电极板(3)两端连接稳压交流电源(14)，所述稳压交流电源(14)与电极板(3)之间设有整流器(12)，用于将交流电压转换为直流电压。

6.根据权利要求5所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述电极板(3)两端并联有滑动变阻器(11)，通过改变滑动变阻器(11)的电阻大小，使电极板两端电压发生变化，用于对激光诱导的带电等离子体产生不同作用力。

7.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述正负两电极板(3)平行放置，且正负两电极板(3)的间距可调节。

8.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述正负两电极板(3)之间的电压大小为150v-300v；所述超声波振动台(7)的振动幅度为3-30μm，所述超声波振动台(7)的振动频率为20khz～80khz。

9.根据权利要求1所述的超声振动-外加电场复合能场辅助激光打孔装置，其特征在于，所述正负两电极板(3)之间距离为激光打孔直径的4-8倍。

技术总结
本技术提供了一种超声振动‑外加电场复合能场辅助激光打孔装置，包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜和夹具，所述聚焦透镜设于夹具和反射镜之间，工件通过固定螺钉被固定于夹具上，脉冲激光器发出的脉冲激光束由反射镜和聚焦透镜引导至工件表面，所述夹具固定于超声波振动台上，且所述夹具两侧设有正负两电极板；通过超声振动和外加电场加速去除打孔过程中产生的熔融金属和等离子体，从而实现提高打孔质量和效率的目的。

技术研发人员：陈树洋,解玄,张利伟,陈天阳
受保护的技术使用者：苏州新洋机电科技有限公司
技术研发日：20230106
技术公布日：2024/1/13