[发明专利]一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超短脉冲激光加工小孔装置及小孔加工方法，该加工装置及方法可提高超短脉冲激光加工小孔深度及质量，主要用于航空发动机涡轮叶片气膜孔加工。属于激光材料加工技术领域。

背景技术

目前，利用激光加工小孔的方法主要有定点冲击加工法、旋转切割加工法和螺旋线进给加工法。一般而言，定点冲击法加工小孔的效率高，通过偏焦和能量控制孔径大小，但加工质量最差，而旋转切割加工法加工小孔的孔径范围大，孔径更圆，但加工效率偏低。上述两种方法的共同不足在于，由于激光功率密度沿轴向在焦点两端发散，加工的小孔通常存在锥度的缺陷。而螺旋线切割法由于加工过程中焦点位置随加工深度逐步下移，锥度最小，加工质量也最好。

现有的超短脉冲激光通常指飞秒激光（10^-15s）、皮秒激光（10^-12s），由于作用时间短，激光功率密度高（超过10¹²w/cm²），激光去除材料的过程几乎没有热扩散，材料去除没有通常的热熔现象。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。而毫秒等较长脉冲宽度激光加工小孔几乎无法避免小孔孔壁产生再铸层。

但是，由于超短脉冲激光器平均功率偏低，脉冲能量通常仅几个毫焦或几百微焦，而现有利用超短脉冲激光器的加工方式主要采用激光垂直入射旋切或螺旋线加工方式，导致加工深度有限。在加工深度较大时，难以实现通孔，或者加工时间非常长，通孔的锥度大。其主要原因在于，超短脉冲激光脉冲能量较小，因此，要达到材料去除阈值的能量密度，激光在与材料作用处光斑应足够小，但由于激光聚焦特性，焦点位置上下光束发散明显，导致能量密度显著下降。为此，虽然可以采用螺旋线加工方式，让焦点位置逐步下移，但深度达到一定程度后，在入口处发散的激光束能量密度已无法保证进一步扩大入口的缝宽，导致激光能量不能全部进入材料内部，去除率下降，当加工深度进一步增大，焦点处激光能量密度将无法保证进一步去除材料；另一个原因是，随着深度增大，加工过程产生的等离子体、金属蒸汽溢出更加困难，将严重屏蔽激光能量进入，也导致深度越大，材料去除率更低。由于等离子体滞留在窄缝内会吸收大量激光能量，易造成对孔壁尤其是入口处的热影响，而且由于长时间金属蒸汽只能通过入口逸出，导致其易在孔口局部逐步沉积冷却而形成再铸层；同样不难理解，深度较大时，小孔锥度明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够增加加工小孔深度并提高加工质量及稳定性的超短脉冲激光加工小孔装置。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述装置的小孔加工方法，该方法能够增加加工小孔深度并提高加工质量及稳定性。

为达到上述目的，本发明提出一种超短脉冲激光加工小孔装置，包括由上至下依次间隔设置的扫描振镜、激光扫描聚焦镜和楔形镜，所述扫描振镜、所述激光扫描聚焦镜和所述楔形镜位于同一中心轴上，激光束经由所述扫描振镜围绕所述中心轴沿同心圆轨迹旋转；所述激光束通过所述激光扫描聚焦镜聚焦；所述激光束通过所述楔形镜产生远离所述中心轴的偏折；且所述楔形镜与所述激光束同步转动，使得透过所述楔形镜的所述激光束保持相同的倾斜角度。

如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，所述楔形镜与驱动电机相连，所述驱动电机驱动所述楔形镜转动。

如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，所述倾斜角度为所述激光扫描聚焦镜的激光聚焦会聚角的一半。

如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，其特征在于，所述倾斜角为3°～5°。

本发明还提出了一种小孔加工方法，采用如上所述的超短脉冲激光加工小孔装置，其中，所述小孔加工方法包括：

依次经过所述超短脉冲激光加工小孔装置的扫描振镜、激光扫描聚焦镜和楔形镜的多束倾斜的激光束绕中心轴旋转，该中心轴与被加工件上被加工小孔的中心轴同轴；

所述激光束焦点的运动轨迹为多个同心圆；

通过激光束在被加工件的表面加工出圆环状凹槽；

随被加工出的所述凹槽深度的增加，被加工件同步上移，被加工件上移速度等于被加工件逐层去除的速度；

直至完成被加工件上小孔的加工成形。

如上所述的小孔加工方法，其中，在加工过程中，所述楔形镜绕中心轴旋转，所述楔形镜旋转方向及速度与所述激光束沿圆周运动的轨迹同步。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：