一種激光逐層掃描制孔方法及激光制孔裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種激光逐層掃描制孔方法及激光制孔裝置，在該制孔方法和裝置中，由空間光調(diào)制器將激光器發(fā)射的第一激光束調(diào)制成第二激光束，使得第二激光束的多個(gè)激光焦點(diǎn)在二維平面按同心圓排列或按同心圓錯(cuò)位排列的方式，從而使得在制孔過(guò)程中，掃描振鏡可以控制多個(gè)所述激光焦點(diǎn)，以多激光焦點(diǎn)同心圓間隔掃描軌跡法或多激光焦點(diǎn)錯(cuò)位同心圓掃描軌跡法完成制孔，同時(shí)在制孔裝置中設(shè)置液氮冷卻裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)液氮精確跟蹤加工區(qū)域冷卻待加工材料

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種激光逐層掃描制孔方法及激光制孔裝置


[0001]本專利技術(shù)涉及激光制造裝備及加工
，具體地，是涉及一種激光逐層掃描制孔方法及激光制孔裝置
。

技術(shù)介紹

[0002]傳統(tǒng)的激光制孔加工常采用單光斑按照同心圓軌跡掃描材料，產(chǎn)生一定寬度的切縫后，光束逐層掃描，直至上下表面的切縫連通，中心切塊自然脫落，實(shí)現(xiàn)制孔
。
[0003]但上述單光斑掃描方式下需要對(duì)多道同心圓軌跡逐道掃描，加工一道軌跡時(shí)，其他同心圓軌跡并未參與加工，效率低下，單孔加工時(shí)間較長(zhǎng)
。
雖然多光束并行加工可以實(shí)現(xiàn)多道軌跡同時(shí)加工，大大提高加工效率；但若在多光束并行加工過(guò)程中存在散熱條件差的問(wèn)題，同一掃描位置受多個(gè)光斑熱效應(yīng)影響，熱量累積使得材料燒損，產(chǎn)生分層
、
特別是樹脂材料
、
纖維材料會(huì)出現(xiàn)材料燒毀或拔出等加工缺陷，對(duì)于一些精度及材料精度要求較高的加工場(chǎng)景，難以滿足加工需求
。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
[0005]一種激光逐層掃描制孔方法，其包括以下步驟：
[0006]S1
：將待加工工件在工作臺(tái)上進(jìn)行定位，控制中心設(shè)置激光加工參數(shù)；
[0007]S2
：開(kāi)啟激光器，產(chǎn)生第一激光束，所述第一激光束通過(guò)擴(kuò)束鏡增大激光束的束腰半徑，減小發(fā)散角；
[0008]S3
：經(jīng)擴(kuò)束后的所述第一激光束經(jīng)反射鏡到達(dá)空間光調(diào)制器；
[0009]S4/>：所述空間光調(diào)制器根據(jù)所述控制中心輸入的多焦點(diǎn)點(diǎn)陣圖，對(duì)入射的所述第一激光束進(jìn)行調(diào)制，以獲得第二激光束，所述第二激光束為多個(gè)激光束，所述第二激光束的多個(gè)激光焦點(diǎn)以同心圓方式排列，且每個(gè)同心圓上有且只有一個(gè)激光焦點(diǎn)，所述同心圓均以待制孔中心為圓心；
[0010]S5
：聚焦場(chǎng)鏡將所述第二激光束的多個(gè)焦點(diǎn)聚焦在所述待加工工件表面，且所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在所述待加工工件表面的排列方式與所述步驟
S4
中所述第二激光束的多個(gè)焦點(diǎn)的排列方式相同；
[0011]S6
：所述控制中心發(fā)出指令，掃描振鏡控制所述多個(gè)激光焦點(diǎn)以多激光焦點(diǎn)同心圓掃描軌跡法在待加工工件表面完成一次掃描；
[0012]S7
：將所述多個(gè)激光焦點(diǎn)下降一層，重復(fù)
S6
，直至制孔完成
。
[0013]優(yōu)選的，步驟
S6
中，所述多個(gè)激光焦點(diǎn)相鄰激光焦點(diǎn)之間以間隔掃描的方式完成所述待加工工件每一層的掃描
。
[0014]優(yōu)選的，步驟
S4
中，所述空間光調(diào)制器將所述多個(gè)激光焦點(diǎn)以同心圓方式排列，且所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在圓周方向的排列相互錯(cuò)位，且在每個(gè)同心圓上有且只有一個(gè)激光焦點(diǎn)，其中所述同心圓以待制孔中心為圓心
。
[0015]優(yōu)選的，在步驟
S6
中，所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在以同心圓為運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)采用同步掃描或隔行掃描
。
[0016]優(yōu)選的，所述制孔方法中還包括步驟
S8
：冷卻步驟，該步驟與步驟
S6
和
S7
同步進(jìn)行，所述冷卻步驟采用液氮精確跟蹤加工區(qū)域，以冷卻待加工材料
。
[0017]優(yōu)選的，所述冷卻步驟由液氮冷卻裝置完成，所述液氮冷卻裝置中設(shè)有液氮調(diào)節(jié)環(huán)，由所述控制中心遠(yuǎn)程控制所述液氮調(diào)節(jié)環(huán)圍繞所述待加工孔的軸線旋轉(zhuǎn)
。
[0018]還提供一種激光制孔裝置，其包括沿激光光束路徑依次設(shè)置的激光器
、
擴(kuò)束鏡
、
反射鏡
、
空間光調(diào)制器
、
掃描振鏡和聚焦場(chǎng)鏡；同時(shí)，該裝置還包括工作臺(tái)以及控制中心；所述控制中心分別與所述激光器
、
空間光調(diào)制器
、
掃描振鏡和聚焦場(chǎng)鏡電連接；
[0019]其中，所述激光器用于產(chǎn)生第一激光束；所述擴(kuò)束鏡用于對(duì)所述第一激光束進(jìn)行擴(kuò)束，以增大光束的束腰半徑，減小發(fā)散角；所述反射鏡用于改變所述第一激光束光路；所述空間光調(diào)制器用于對(duì)所述第一激光束進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生第二激光束，所述第二激光束為多個(gè)激光束，所述第二激光束產(chǎn)生的多個(gè)激光焦點(diǎn)在二維平面以同心圓方式排列且每個(gè)同心圓上有且只有一個(gè)激光焦點(diǎn)；所述同心圓以待制孔的中心為圓心；所述聚焦場(chǎng)鏡將所述多個(gè)激光焦點(diǎn)聚焦至固定于所述工作臺(tái)上的待加工工件；所述掃描場(chǎng)鏡用于控制所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在所述待加工工件表面按照多激光焦點(diǎn)同心圓軌跡運(yùn)動(dòng)
。
[0020]優(yōu)選的，所述空間光調(diào)制器將所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在二維平面以同心圓方式排列，且所述多個(gè)焦點(diǎn)在圓周方向的排列相互錯(cuò)位，且每個(gè)同心圓上有且只有一個(gè)所述激光焦點(diǎn)；所述同心圓以待制孔的中心為圓心
。
[0021]優(yōu)選的，所述制孔裝置中還設(shè)有液氮冷卻裝置，所述液氮冷卻裝置具有一中心通孔，所述液氮冷卻裝置包括液氮存儲(chǔ)器
、
液氮傳輸管道
、
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
、
第一液氮調(diào)節(jié)環(huán)
、
液氮霧化板；所述液氮霧化板上安裝有多個(gè)噴嘴，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述第一液氮調(diào)節(jié)環(huán)連接，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述控制中心電連接；所述液氮調(diào)節(jié)環(huán)圍繞所述第二激光束軸線旋轉(zhuǎn)
。
[0022]優(yōu)選的，所述制孔裝置還設(shè)有第二液氮調(diào)節(jié)環(huán)，所述第二液氮調(diào)節(jié)環(huán)下端面與所述第一液氮調(diào)節(jié)環(huán)配合
。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具備以下有益效果：
[0024]1、
本專利技術(shù)利用空間光調(diào)制器將入射激光光束按照需求調(diào)制為多焦點(diǎn)陣列并可對(duì)焦點(diǎn)數(shù)量和各焦點(diǎn)能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅實(shí)現(xiàn)了多焦點(diǎn)同時(shí)加工，極大縮短了制孔加工時(shí)間；也實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的加工精度
。
[0025]2、
本專利技術(shù)利用多激光焦點(diǎn)同心圓間隔掃描軌跡法和多激光焦點(diǎn)錯(cuò)位同心圓掃描軌跡法，提高了相鄰兩次掃描軌跡的間距，減少了多光束并行加工過(guò)程中散熱條件差造成的材料熱損傷，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)高效的切孔加工；
[0026]3、
本專利技術(shù)采用液氮精確追蹤激光加工區(qū)域冷卻技術(shù)，通過(guò)減少材料在空氣加工氛圍中的氧化程度，降低加工過(guò)程中多余熱量對(duì)未加工材料的影響，提高了切孔質(zhì)量，減少了后續(xù)精加工的次數(shù)，進(jìn)而減少因多次裝夾帶來(lái)的位置誤差
。
附圖說(shuō)明
[0027]圖1為本專利技術(shù)的激光制孔裝置及其用于制孔時(shí)激光加工系統(tǒng)光路示意圖；
[0028]圖2為同心圓逐層掃描策略的加工示意圖；
[0029]圖3為同心圓掃描策略不同加工方法示意圖；
[0030]圖4為液氮冷卻裝置中噴頭結(jié)構(gòu)爆炸圖；
[0031]圖5為采用液氮冷卻待加工區(qū)域加工表面氣體壓力示意圖；
[0032]圖6為不同條件下
CFRP
板孔端面熱影響區(qū)域?qū)Ρ葓D
。
具體實(shí)施方式
[0033]下面將結(jié)合本專利技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施例中的技本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.
一種激光逐層掃描制孔方法，其特征在于，所述制孔方法包括以下步驟：
S1
：將待加工工件在工作臺(tái)上進(jìn)行定位，控制中心設(shè)置激光加工參數(shù)；
S2
：開(kāi)啟激光器，產(chǎn)生第一激光束，所述第一激光束通過(guò)擴(kuò)束鏡增大激光束的束腰半徑，減小發(fā)散角；
S3
：經(jīng)擴(kuò)束后的所述第一激光束經(jīng)反射鏡到達(dá)空間光調(diào)制器；
S4
：所述空間光調(diào)制器根據(jù)所述控制中心輸入的多焦點(diǎn)點(diǎn)陣圖，對(duì)入射的所述第一激光束進(jìn)行調(diào)制，以獲得第二激光束，所述第二激光束為多個(gè)激光束，所述第二激光束的多個(gè)激光焦點(diǎn)以同心圓方式排列，且每個(gè)同心圓上有且只有一個(gè)激光焦點(diǎn)，所述同心圓均以待制孔中心為圓心；
S5
：聚焦場(chǎng)鏡將所述第二激光束的多個(gè)焦點(diǎn)聚焦在所述待加工工件表面，且所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在所述待加工工件表面的排列方式與所述步驟
S4
中所述第二激光束的多個(gè)焦點(diǎn)的排列方式相同；
S6
：所述控制中心發(fā)出指令，掃描振鏡控制所述多個(gè)激光焦點(diǎn)以多激光焦點(diǎn)同心圓掃描軌跡法在待加工工件表面完成一次掃描；
S7
：將所述多個(gè)激光焦點(diǎn)下降一層，重復(fù)
S6
，直至制孔完成
。2.
如權(quán)利要求2所述的制孔方法，其特征在于，步驟
S6
中，所述多個(gè)激光焦點(diǎn)相鄰激光焦點(diǎn)之間以間隔掃描的方式完成所述待加工工件每一層的掃描
。3.
如權(quán)利要求1所述的制孔方法，其特征在于，步驟
S4
中，所述空間光調(diào)制器將所述多個(gè)激光焦點(diǎn)以同心圓方式排列，且所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在圓周方向的排列相互錯(cuò)位，且在每個(gè)同心圓上有且只有一個(gè)激光焦點(diǎn)，其中所述同心圓以待制孔中心為圓心
。4.
如權(quán)利要求3所述的制孔方法，其特征在于，在步驟
S6
中，所述多個(gè)激光焦點(diǎn)在以同心圓為運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)采用同步掃描或隔行掃描
。5.
如權(quán)利要求2或3所述的制孔方法，其特征在于，所述制孔方法中還包括步驟
S8
：冷卻步驟，該步驟與步驟
S6
和
S7
同步進(jìn)行，所述冷卻步驟采用液氮精確跟蹤加工區(qū)域，以冷卻待加工材料...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃禹，榮佑民，吳從義，滕森，李文元，陳龍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：