防止加工损伤的激光制孔方法与流程

本发明涉及激光应用技术领域，特别是涉及一种防止加工损伤的激光制孔方法。

背景技术：

激光制孔是激光加工的主要应用领域之一，激光加工涡轮叶片等发动机热端部件气膜孔是该技术的典型应用。以往主要采用毫秒(10^～3s)脉冲激光加工气膜孔，但热影响较大，导致小孔孔壁存在再铸层、甚至微裂纹，孔尺寸精度不高；由于超快激光(脉冲宽度小于10ps的飞秒(10^～15s)激光、皮秒(10^～12s)激光)作用时间非常短，激光功率密度极高，加工小孔可以实现孔壁没有再铸层，孔壁质量与尺寸精度显著提高。因此，超快激光已被用于具有空腔结构的叶片、喷油嘴等小孔精密加工。与毫秒激光制孔一样，皮秒、飞秒激光制孔也面临通孔后损伤零件空腔对面壁的问题，如图1所示。

现有技术中，防止激光制孔损伤空腔对面壁的方法主要有两种技术途径。

一种技术途径是采用在零件空腔充填防护材料的方法避免激光直接作用于空腔对面壁。例如，针对毫秒激光制孔，目前较成熟的防护材料是聚四氟乙烯，对于聚四氟乙烯不易填入的空腔零件，也有采用石蜡与sio2沙粒等；针对皮秒、飞秒等超快激光加工小孔，国外有采用掺杂陶瓷类颗粒的固液掺混的浆膏状防护材料，加工过程防护材料是流动的；另外，也有采用玻璃丸、刚玉颗粒填入空腔等。

申请号为201610960509.x的发明专利为申请人的在先专利，其公开了避免激光制孔损伤空腔零件对面壁的防护材料及填入方法，该发明采用颗粒状氧化铝陶瓷颗粒作为基材与粘接剂混合填入零件空腔，已被证明适用于超快激光制孔，满足了在一定的时间避免防护材料被超快激光击穿进而损伤空腔对面壁，见图2。

另一种技术途径无需填入防护材料，仅通过减小制孔的激光能量，使作用于对面壁激光能量小于材料的烧蚀阈值的方法实现对壁无损伤。例如，公开号为cn108747060a的专利公开了一种基于激光能量调控的空腔结构零件打孔背壁防护方法，即是调控激光能量使作用于对壁的能量密度阈值低于材料的烧蚀阈值的方法避免对壁损伤；“laserdrillingofthroughboreholeswithoutinternalprotection”的专利采用了类似机理，是应用较窄的毫秒宽度(0.1～0.3ms)、相应较小的脉冲能量(2～3j)激光以冲击制孔与旋切制孔相结合的方式加工较大深度的孔，加工过程中，激光聚焦于需去除材料的上表面，由于脉冲能量相对原加工深孔的能量小得多，而且零件空腔尺寸较大(5mm以上)，孔穿透后由于激光散焦后能量密度低于损伤阈值，可以避免损伤空腔对面壁。

上述两种防止激光制孔损伤对面壁的方法，多适用于空腔尺寸较大的零件。随着叶片耐热温度要求的进一步提高，出现了双层壁的铸造叶片，叶片空腔尺寸进一步减小，如双层壁间隙仅0.5～0.8mm时，由于对壁间距变小，采用调控激光能量的方式，工艺参数裕度窗口变小，控制难度大，而且降低能量，将导致去除效率显著下降。

采用填入防护材料的方法，由于空腔变小，防护材料的有效防护厚度减薄，导致通常的超快激光填充扫描加工小孔方式，见图3，对壁防护可靠性明显下降，虽然降低激光能量，可以延长防护材料抗击穿时间，但同样也导致加工效率明显降低，而且小孔锥度增大。

降低能量对加工2mm深小孔的孔径与锥度影响的试验结果如下：

试验参数：50w的皮秒激光，激光偏焦为0；加工程序：0，250，50，427000，2000。

即从孔中心循环扫描，同心圆最大外径为250μm，同心圆间隔50μm，同心圆个数共5个，见图3，扫描速度为427000μm/s，循环次数为2000次。

能量选择为100％、80％、50％加工小孔的孔径分别为0.40mm、0.38mm、0.28～0.3mm，在50％能量下循环次数即使增至2500，孔径仅为0.33mm，3000次循环次数孔径也仅为0.35mm。

可见，为了得到0.4mm的孔径，50％能量条件下除了增加循环次数，还必须增加同心圆个数与最外缘同心圆直径，既导致效率大幅下降，也使得孔锥度增加。

因此，发明人提供了一种防止加工损伤的激光制孔方法。

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防止加工损伤的激光制孔方法，在步骤s1中，采用的目标激光能量不需要降低能量值，而在步骤s2中，将目标激光能量降低至预设激光能量，解决了对于狭小空间制孔造成加工损伤的技术问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种防止加工损伤的激光制孔方法，包括以下步骤：

s1，获取已填入防护材料工件的待制孔的目标位置，在目标位置处，沿待制孔中心朝外的方向依次预设多个不同的环形扫描路径，以目标激光能量的激光沿扫描路径扫描，所述激光首先沿包括扫描孔中心区域的环形扫描路径扫描，使待制孔中心接近穿透或刚刚被穿透，再选择外侧位置的环形扫描路径进行扫描，使待制孔的大部分材料被去除；

s2，将目标激光能量降低至预设激光能量，再沿待制孔中心外侧位置的环形扫描路径进行扫描，直至将待制孔完全穿透成孔。

进一步改进的，所述待制孔为圆孔，各扫描路径分别为同心的圆形。

进一步改进的，步骤s1中，扫描前，先将激光聚焦于待制孔的目标位置的工件表面。如待制孔深度较大，或预先将激光聚焦于待制孔的目标位置的工件内部位置。

进一步改进的，步骤s1中，所述激光首先沿包括扫描孔中心区域的环形扫描路径扫描，扫描顺序为先扫描孔中心再扫描外侧，且为循环扫描，选择合适的循环次数，以使待制孔中心接近穿透或刚刚被穿透。

进一步改进的，骤s1中，待制孔中心接近穿透或刚刚被穿透后，在目标位置处，以目标激光能量的激光沿待制孔中心外侧位置预设的一个或多个环形扫描路径扫描，以使待制孔大部分材料被去除。

进一步改进的，步骤s2中，扫描前，所述激光的焦点位置不变，或将激光聚焦于比步骤s1中激光的焦点位置的更低位置，例如，孔的中部或出口处。

进一步改进的，所述预设激光能量通常为目标激光能量的50％。根据孔的深度或孔出口距工件对面壁间距，也可以高于或低于50％。

进一步改进的，降低能量的激光沿待制孔中心外侧位置预设的一个或多个环形扫描路径扫描，直至将待制孔完全穿透成孔。

(3)有益效果

综上，本发明的防止加工损伤的激光制孔方法，采用目标激光能量，通过控制、优化制孔过程扫描路径及其作用时间，使待制孔未被完全穿透或待制孔中心被穿透，且待制孔的大部分材料被去除；再将目标激光能量降低至预设激光能量，通过控制、优化扫描路径及其作用时间使形成达到孔径要求的完全通孔，结合填入防护材料，预设激光能量即使远高于防护材料与工件材料损伤阈值，在不降低加工效率与基本保证原有锥度条件下，针对小空腔零件仍具有可靠的防对壁击伤效果。尽量缩短了制孔过程中激光作用于防护材料的时间，而且即使作用于防护材料，防护材料被击穿时间被有效延迟。

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是激光制孔损伤零件的示意图。

图2是申请号为201610960509.x的发明专利中，较大尺寸叶片空腔填充防护材料与不填充防护材料超快激光制孔损伤情况的对比图。

图3是本发明一实施例中制孔的扫描路径示意图。

图4是本发明一实施例中制孔不同阶段的扫描路径示意图。

图5是本发明一实施例中，制孔不同加工阶段的孔纵截面示意图。

图6是本发明一实施例中，叶片双层壁结构处孔的纵截面显微照片。

图7是本发明一实施例中，叶片单层壁结构处孔的纵截面显微照片。

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，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

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。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参照图1至图7，一种防止加工损伤的激光制孔方法，包括以下步骤：

s1，获取已填入防护材料工件的待制孔的目标位置，在目标位置处，沿待制孔中心朝外的方向依次预设多个不同的环形扫描路径，以目标激光能量的激光沿扫描路径扫描；

沿孔中心朝外的方向，所述激光沿扫描路径的扫描次数依次增多，以使待制孔中心接近穿透或刚刚被穿透，且待制孔的大部分材料被去除；

s2，将目标激光能量降低至预设激光能量，再沿待制孔中心外侧位置的扫描路径进行扫描，直至将待制孔完全穿透成孔。

本实施例的防止加工损伤的激光制孔方法，步骤s1中，目标激光能量为满能量，即不降低激光能量，激光沿扫描路径的扫描次数依次增多，由于孔的中心位置易被穿透，当激光扫描一定次数后，不再对待制孔中心加工，只是进一步去除待制孔中心区域以外的材料，保证孔未完全穿透，但大部分材料被去除，使第一步加工达到图5(b)所示形貌。

步骤s2中，目标激光能量降低至预设激光能量，预设激光能量应仍然足够大，无需降至防护材料或对壁材料损伤阈值以下，以避免降低加工效率，再沿待制孔中心外侧位置的扫描路径进行扫描。

本实施例的防止加工损伤的激光制孔方法，采用目标激光能量，通过控制、优化制孔过程扫描路径及其作用时间，使待制孔未被完全穿透或待制孔中心被穿透，且待制孔的大部分材料被去除；再将目标激光能量降低至预设激光能量，通过控制、优化扫描路径及其作用时间使形成达到孔径要求的完全通孔，结合填入防护材料，预设激光能量即使远高于防护材料与工件材料损伤阈值，在不降低加工效率与基本保证原有锥度条件下，针对小空腔零件仍具有可靠的防对壁击伤效果。尽量缩短了制孔过程中激光作用于防护材料的时间，而且即使作用于防护材料，防护材料被击穿时间被有效延迟。

进一步地，在一实施例中，所述激光沿待制孔中心朝外方向的扫描路径循环扫描，且沿孔中心朝外的方向，所述激光沿扫描路径的扫描次数依次增多，以使待制孔未被完全穿透或待制孔中心刚刚被穿透。具体的，激光首先按图4(a)所示的扫描路径，所述激光沿待制孔中心朝外方向扫描，然后再按图4(b)所示的扫描路径，所述激光沿待制孔中心朝外方向扫描，最后按图4(c)所示的扫描路径扫描。以使待制孔未被完全穿透或待制孔中心被穿透，且待制孔的大部分材料被去除。对应的，按图4(a)所示的扫描路径扫描的待制孔截面如图5(a)所示，按图4(b)与按图4(c)所示的扫描路径扫描的待制孔截面如图5(b)所示。

步骤s2中，再重复进行图4(b)、图4(c)所示扫描路径，使最终达到要求孔径。进一步地，扫描路径首先通常为图4(b)所示，同样激光尽量不与待制孔中间区域作用，主要用于穿透孔出口残余的薄层材料以及去除孔壁材料，减小孔锥度，增大出口孔径；为了保证出口孔径，同时尽量避免激光从已穿透的待制孔中心区域无遮拦射出，在完成扫描路径图4(b)后，扫描路径再调整为图4(c)，使待制孔最终达到如图5(c)所示形貌。

进一步地，在一实施例中，所述待制孔为圆孔，各扫描路径分别为同心的圆形。

进一步地，在一实施例中，步骤s1中，扫描前，先将激光聚焦于待制孔的目标位置的工件表面或待制孔深度较大，预先将激光聚焦于待制孔的目标位置的工件内部位置。

进一步地，在一实施例中，步骤s1中，待制孔中心接近穿透或刚刚被穿透后，在目标位置处，以目标激光能量的激光沿待制孔中心外侧位置预设的一个或多个环形扫描路径扫描，以使待制孔大部分材料被去除。当待制孔的深度低于预设深度时，可以取消图4(b)所示的扫描路径。

进一步地，在一实施例中，步骤s2中，扫描前，所述激光的焦点位置不变，或将激光聚焦于比步骤s1中激光的焦点位置的更低位置，例如，孔的中部或出口处。

进一步地，在一实施例中，步骤s2中，所述预设激光能量为目标激光能量的50％。根据孔的深度与孔出口距对面壁间距，也可以高于或低于50％。

进一步地，在一实施例中，步骤s2中，降低能量的激光沿待制孔中心外侧位置预设的一个或多个环形扫描路径扫描，直至将待制孔完全穿透成孔。当待制孔的深度低于预设深度时，可以取消图5(b)扫描路径，直接选用图5(c)所示扫描路径。

针对不同深度与孔径的待制孔，以上不同阶段各个扫描路径的具体循环次数(即时间)及具体路径设置，如同心圆间距或个数、半径等参数可以进行调整，选择原则是激光尽可能不在已穿透区域无遮挡射出而与已填入的防护材料作用，或作用时间尽可能短。

以下为本实施例的防止加工损伤的激光制孔方法的二步法和现有技术中的单步法试验的结果对比，其中本实施例的二步法即为步骤s1和步骤s2。

表1为加工1.5mm深直孔/间隙1mm空腔的防护效果对比

表2为加工2mm深斜孔/防护材料1.2mm的防护效果对比

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。