一种激光加工孔的方法以及系统与流程

本发明关于激光材料加工技术领域，具体的讲是一种激光加工孔的方法及系统。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

超短脉冲激光通常是指飞秒激光(10^-15s)、皮秒激光(10^-12s)。由于作用时间非常短，激光功率密度极高(超过10¹²w/cm²)，去除材料的过程几乎没有热扩散，材料去除具有非热熔性。因此，采用超短脉冲激光可以加工孔壁没有热影响区、再铸层、微裂纹的小孔，可参阅附图1。而诸如毫秒等较长脉冲宽度的激光加工小孔则容易在小孔的孔壁产生再铸层，可参见附图2a、图2b，图中的箭头指示处即为再铸层。

单晶涡轮叶片气膜孔要求孔壁无再铸层、微裂纹、热影响区，因此，在涡轮叶片高质量制孔，尤其是带热障涂层涡轮叶片先涂层后无热致缺陷制孔方面，超短脉冲激光制孔技术具有巨大的应用前景。

但超短脉冲激光脉冲能量很低，例如皮秒激光的脉冲能量通常不到500微焦，导致加工效率低，加工深度有限，而且小孔锥度大；在实际制孔中还发现，孔径及加工效率对焦点位置的变化非常敏感，受焦点位置及壁厚变化的影响，孔径一致性不高。上述现象极大地限制了超短脉冲激光加工叶片气膜孔技术的实际应用。

因此，如何研究和开发出一种新的方案以提高皮秒激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高孔径的一致性是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种激光加工孔的方法以及系统，通过激光偏轴装置将激光束转变为圆环光斑，再通过扫描振镜装置将圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转后以多个同心圆的轨迹聚焦后用于加工一目标孔径的小孔，提高了激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高了孔径的一致性。

为了实现上述目的，本发明提供一种激光加工孔的方法，所述方法包括：激光源沿传导光路中心轴输出激光束；所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑；所述圆环光斑入射至扫描振镜系统；所述扫描振镜装置将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹；所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。

在本发明的优选实施方式中，所述扫描振镜装置包括电机、X-Y扫描振镜以及控制模块，所述电机，用于带动所述X-Y扫描振镜以使所述激光束围绕所述聚焦镜的中心轴旋转；所述控制模块，用于调整所述X-Y扫描振镜，以调整同心圆的半径。

在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括：当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径以及最大半径减去间距的同心圆组成。

在本发明的优选实施方式中，所述的方法还包括：当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径、最大半径减去间距以及最大半径减去二倍的间距的同心圆组成。本发明的目的之一是，提供了一种激光加工孔的系统，所述的系统包括激光源，用于沿传导光路中心轴输出激光束，所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置；所述激光偏轴装置，用于将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑，所述圆环光斑入射至扫描振镜系统；所述扫描振镜装置，用于将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹，所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。

在本发明的优选实施方式中，所述激光束为飞秒激光或纳秒激光或皮秒激光。

在本发明的优选实施方式中，所述激光偏轴装置包括电机以及楔形镜组，所述楔形镜组由两个间距可调的楔形镜组成。

在本发明的优选实施方式中，所述激光偏轴装置包括电机以及楔形镜组，所述楔形镜组由两个楔形镜组成，两个楔形镜之间的间距固定。

在本发明的优选实施方式中，所述激光偏轴装置包括电机以及方形棱镜，所述方形棱镜的倾斜角度可变。

在本发明的优选实施方式中，所述扫描振镜装置包括电机、X-Y扫描振镜以及控制模块，所述电机，用于带动所述X-Y扫描振镜以使所述激光束围绕所述聚焦镜的中心轴旋转；所述控制模块，用于调整所述X-Y扫描振镜，以调整经过同心圆的半径。

在本发明的优选实施方式中，所述同心圆的最大半径取决于所述目标孔径，所述同心圆的最小半径大于等于0.05mm，小于等于0.15mm，相邻同心圆之间的间距大于等于0.03mm，小于等于0.05mm。

本发明的有益效果在于，提供了一种激光加工孔的方法以及系统，通过激光偏轴装置将激光束转变为圆环光斑，再通过扫描振镜装置将圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转后以多个同心圆的轨迹聚焦后用于加工一目标孔径的小孔，提高了激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高了孔径的一致性。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为现有技术中皮秒激光加工斜孔横截面的示意图；

图2a为现有技术中毫秒激光旋切加工小孔的横截面的示意图；

图2b为现有技术中毫秒激光冲击加工小孔的横截面的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中激光偏轴装置的实施方式一的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中楔形镜组的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中激光偏轴装置的实施方式二的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中方形棱镜的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中的扫描振镜装置的结构框图；

图9为本发明实施例提供的一种激光加工孔的方法的流程图；

图10为激光束偏离传导光路中心轴旋转形成的圆环光斑示意图；

图11为偏离聚焦镜的中心轴旋转形成的同心圆半径为r的加工路径；

图12为偏离聚焦镜的中心轴旋转形成的多个同心圆扫描填充加工小孔示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

本发明针对现有技术中超短脉冲激光脉冲能量很低，例如皮秒激光的脉冲能量通常不到500微焦，导致加工效率低，加工深度有限，而且小孔锥度大；在实际制孔中还发现，孔径及加工效率对焦点位置的变化非常敏感，受焦点位置及壁厚变化的影响，孔径一致性不高，极大地限制了超短脉冲激光加工叶片气膜孔技术的实际应用的技术问题，提出了一种提高激光加工小孔性能的方案，主要用于航空发动机涡轮叶片气膜孔加工，也可以推广应用于其它领域小孔加工。属于激光材料加工技术领域。

以下所使用的术语“模块”和“单元”，可以是实现预定功能的软件和/或硬件。尽管以下实施例所描述的模块较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图3为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统的结构示意图，请参阅图3，所述系统包括激光源100、激光偏轴装置200、扫描振镜装置300、聚焦镜400以及被加工的孔500。

其中，所述激光源100，用于沿传导光路中心轴1输出激光束2，所述激光束2入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置200。所述激光束为飞秒激光或纳秒激光或皮秒激光。

所述激光偏轴装置200，用于将所述激光束2以一偏离半径d偏离所述传导光路中心轴1，由于激光偏轴装置200围绕传导光路中心轴1旋转，等同于偏离后的激光束4围绕传导光路中心轴1高速旋转。因此，将通常的圆形激光光斑转变为圆环光斑5，请参阅图10的激光束偏离传导光路中心轴旋转形成的圆环光斑示意图，所述圆环光斑入射至扫描振镜装置300。作为本发明的一个实施例，偏离半径d可以是固定的(如d为2mm)，也可以是可调的(如d大于等于0.1mm，小于等于5mm)。

图4为本发明实施例中激光偏轴装置的实施方式一的结构示意图，请参阅图4，在实施方式一中，所述激光偏轴装置200包括电机201以及楔形镜组202，所述楔形镜组202由两个间距可调的楔形镜203组成。

作为本发明的一个实施例，两个楔形镜203之间的间距也可为固定。

图5为本发明实施例中楔形镜组的示意图，请参阅图5，通过两个间距可调的楔形镜组203将激光束2偏离传导光路中心轴，偏离后的激光束4围绕传导光路中心轴高速旋转，实现双楔形镜整体高速旋转，从而形成动态环形光束的效果。

图6为本发明实施例中激光偏轴装置的实施方式二的结构示意图，请参阅图6，在实施方式二中，所述激光偏轴装置200包括电机201以及方形棱镜204，所述方形棱镜204的倾斜角度可变。

图7为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中方形棱镜的示意图，请参阅图7，采用可倾斜角度的方形棱镜204，将激光束2偏离传导光路中心轴，偏离后的激光束4围绕传导光路中心轴高速旋转，实现方形棱镜整体高速旋转，从而形成动态环形光束的效果。

请再次参阅图3，所述激光加工孔的系统还包括：

所述扫描振镜装置300，用于将所述圆环光斑围绕一聚焦镜400的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹，所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔500至一目标孔径，此处的目标孔径是预先设定的。

图8为本发明实施例提供的一种激光加工孔的系统中的扫描振镜装置的结构框图，请参阅图8，所述扫描振镜装置300包括电机301、X-Y扫描振镜302以及控制模块303。

所述电机301，用于带动所述X-Y扫描振镜围绕所述聚焦镜400的中心轴旋转；

所述控制模块303，用于调整所述X-Y扫描振镜，以调整经过聚焦镜后的同心圆的半径。也即，通过控制模块调整X-Y扫描振镜，入射至X-Y扫描振镜的圆环光斑围绕聚焦镜400的中心轴6旋转后以多个同心圆的轨迹填充式高速扫描被加工的孔。

在具体的实施方式中，扫描振镜装置300可通过GSI等公司的既有商品化的产品来实现。

图11为偏离聚焦镜的中心轴旋转形成的同心圆半径为r的加工路径，图12为偏离聚焦镜的中心轴旋转形成的多个同心圆扫描填充加工小孔示意图。参阅图11、图12，在具体的实施例中，所述同心圆的最大半径R取决于所述被加工的孔的目标孔径(即被加工的孔的目标孔径的大小)，所述同心圆的最小半径r大于等于0.05mm，小于等于0.15mm，相邻同心圆之间的间距D大于等于0.03mm，小于等于0.05mm，假定多个同心圆数目为n，则R＝r+n*D。实际加工时，根据孔的深度该加工路径循环往复数百甚至上千、数千次。

如上即是本发明提供的一种激光加工孔的系统，提高了皮秒激光制孔的效率，减小锥度，减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响，提高孔径的一致性。该系统同样可以推广应用飞秒激光、纳秒激光等其它激光制孔应用。

此外，尽管在上文详细描述中提及了激光加工孔的系统的若干单元模块，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。同样，上文描述的一个单元的特征和功能也可以进一步划分为由多个单元来具体化。

图9为通过如上所述的激光加工孔的系统加工孔的方法的具体流程图，请参阅图9，所述方法包括：

S101：激光源沿传导光路中心轴输出激光束。所述激光束为飞秒激光或纳秒激光或皮秒激光。

S102：所述激光束入射至围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置。

S103：所述激光偏轴装置将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，形成圆环光斑。将所述激光束以一偏离半径偏离所述传导光路中心轴，由于激光偏轴装置围绕传导光路中心轴旋转，等同于偏离后的激光束围绕传导光路中心轴高速旋转。因此，将通常的圆形激光光斑转变为圆环光斑，请参阅图10的激光束偏离传导光路中心轴旋转形成的圆环光斑示意图。

S104：所述圆环光斑入射至扫描振镜装置。

S105：所述扫描振镜装置将所述圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转，形成多个同心圆的轨迹；

S106所述轨迹聚焦后用于扫描被加工的孔至一目标孔径，所述目标孔径是预先设定的。

在本发明的其他实施方式中，当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径R以及最大半径减去间距R-D的同心圆组成。

在本发明的其他实施方式中，当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径R、最大半径减去间距R-D以及最大半径减去二倍的间距R-2D的同心圆组成。

即，激光制孔由于在孔初始完全穿透后，出口呈明显的缩口，孔径未达到要求，为此，在孔完全穿透后，采用了半径为R、R-D和R-2D(孔较深时应用，应用与否取决于试验测试结果)的2-3个同心圆的作用路径，仅仅用于扩大出口孔径，这样避免了其它内圆路径的无效作用，既可以提高效率，又可以减轻激光制孔对具有空腔结构零件，如叶片内腔对面壁的防击伤压力。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

以下具体实施例以皮秒激光离轴高速自旋与未自旋加工2mm深小孔的过程为例，说明利用本发明的激光加工孔的系统和方法。

通过围绕所述传导光路中心轴旋转的激光偏轴装置，激光由圆形光斑转换为实际由圆形光斑离轴高速自旋形成的圆环光斑。皮秒激光离轴高速自旋与未自旋加工2mm深小孔的结果见表1。

表1

表1的数据表明，自旋激光制孔方式，加工同样时间，入口直径更小，出口直径更大，孔锥度变小。自旋激光加工小孔最小锥度为2.4°，而不自旋为3.1°，减小锥度30％。

而且从表1发现，离轴自旋加工2mm深小孔，出口孔径最大可以达到0.4mm，而不自旋加工，在相同加工时间的条件下，孔径最大仅0.385mm，如增大孔径需要增加旋切加工路径的半径或延长加工时间，这表明离轴自旋加工小孔效率更高。

另外，焦点位置变化对孔径影响更小，即在相同加工时间，自旋加工，焦点位置在-2至+2mm之间，孔径均超过0.35mm，而不自旋制孔，仅0至+2mm位置，小孔孔径超过0.35mm，该结果表明皮秒激光自旋后聚焦激光的焦深量明显增大，该特性提高了制孔孔径的一致性。

上述制孔效应的理论解释：

使用激光离轴自旋方式制孔，激光束在聚焦前相当于准直扩束，由透镜聚焦原理可知，扩束后的光束焦点处光斑更小，其能量密度更高，因此，孔入口直径更小，出口直径更大，锥度更小，材料去除率增加，效率增加；而且离轴自旋激光又不等同于简单扩束处理，实际由沿圆周路径高速移动的光束合成，在离焦位置，即散焦后具有由更高的功率密度，焦深量变大，因此焦点变化对孔径影响更小。

当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径、最大半径减去间距以及最大半径减去二倍的间距的同心圆组成。

当所述被加工的小孔已穿透但未达到目标孔径时，所述控制模块调整所述X-Y扫描振镜，以使得所述轨迹由半径为最大半径以及最大半径减去间距的同心圆组成。

采用步骤1与不采用步骤1的加工参数及加工结果对比见表2。

表2

很明显，实现同样出口孔径，采用步骤1后，加工时间进一步压缩。上述实施例验证了本方案在提高效率、减小锥度，以及改进制孔孔径一致性的有效性，具有先进性、实用性。

综上所述，本发明提供了一种激光加工孔的方法以及系统，通过激光偏轴装置将激光束转变为圆环光斑，再通过扫描振镜装置将圆环光斑围绕一聚焦镜的中心轴旋转后以多个同心圆的轨迹扫描被加工的孔径，提高了激光制孔的效率、减小焦点位置变化或壁厚变化对孔径的影响、提高了孔径的一致性。

本发明的关键点是：

a、激光聚焦前偏离传导中心轴且高速旋转，旋转半径可调；

b、通过X-Y二维扫描振镜，实现偏轴高速自旋激光以多个同心圆路径循环往复高速运动后聚焦方式加工小孔；

c、孔完全穿透后，再采用原多个同心圆路径的2-3个外圆进行扩孔，以保证出口孔径，进一步压缩达到孔径要求的制孔时间，同时减轻孔穿透后对具有空腔结构零件的内腔对面壁防击伤压力。

对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片2。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware Description Language)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(Ruby Hardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog2。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

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。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。