[发明专利]一种同轴超声辅助超快激光制孔单元及方法

权利要求书

1.一种同轴超声辅助超快激光制孔单元，其特征在于，包括超快激光器、激光导入机构、成像机构、超声电源和超声能量传输单元，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入超声能量传输单元中，所述超声能量传输单元与超声电源相连，所述超声能量传输单元为容纳激光通过的中空结构，其内部设有超声传导机构，所述超声能量传输单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生轴向的超声振动，所述成像机构用于基于经过超声能量传输单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀；

所述超声能量传输单元包括前压紧端盖、后压紧端盖、压电陶瓷片、电极片、导线和变幅杆，所述前压紧端盖和后压紧端盖均为同轴中空结构，前、后压紧端盖分别通过预紧螺钉固定压紧压电陶瓷，压电陶瓷之间夹有电极片且电极片终端均由导线与接线柱连接，所述压电陶瓷和电极片均为环形结构，压电陶瓷套在后压紧端盖内壁上并由前压紧端盖压紧；

所述变幅杆为空心阶梯结构，变幅杆输入端设有内螺纹，中心通孔处设有用于放置窗口片的圆形键槽，变幅杆输出端同样设有内螺纹；

激光头壳体和设置在其中的聚焦透镜、聚焦透镜压环、聚焦透镜转接环，激光头壳体内部为空心锥形结构，激光头上端设有外螺纹与变幅杆输出端的内螺纹连接，所述聚焦透镜压环将聚焦透镜固定在聚焦透镜转接环上，所述聚焦透镜转接环安装在激光头壳体内部；

所述超快激光器产生超快激光包括皮秒激光、飞秒激光，其脉宽范围为5 fs-10 ps；

所述成像机构包括CCD摄像机和环形LED灯，自然光在环形LED灯照射下射入到被加工工件，反射光经过二向色镜，传入CCD摄像机，根据拍摄到的图像调控光学元器件，使得光斑直径最小处位于工件表面，此时为工件坐标Z轴零点。

2.根据权利要求1所述的同轴超声辅助超快激光制孔单元，其特征在于，所述激光导入机构包括二向色镜和用于夹持所述二向色镜的二向色镜装夹单元。

3.根据权利要求2所述的同轴超声辅助超快激光制孔单元，其特征在于，所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端由定位稍固定并与超声能量传输单元的输入端相连。

4.一种权利要求1~3任一项所述同轴超声辅助超快激光制孔单元的制孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将工件装夹在超声辅助超快激光制孔单元平台上；

步骤二：启动CCD摄像机，待加工工件的图像呈现后，定位需要加工的位置，通过调整激光束聚集光斑与工件的位置，在CCD的成像中找到最小光斑位置，此时确定为工件Z轴坐标原点，实现激光束对刀；

步骤三：启动超声电源，超声电源产生超声频率的振荡信号由接线柱传递给压电陶瓷，压电陶瓷将超声信号转换为超声频率的机械振动，机械振动由后压紧端盖螺纹外壳传递给变幅杆，机械振幅经变幅杆的放大后，由变幅杆内螺纹壳传递给激光头中的聚焦透镜，使聚焦透镜产生轴向的超声振动；

步骤四：启动超快激光器，使超快激光器产生的激光束在二向色镜装夹单元中45°垂直反射进入超声能量传输单元中，当激光穿过超声振动的聚焦透镜后，被聚焦的光斑将以超声振幅照到工件上，通过X/Y/Z三轴联动实现直线填充、同心圆填充或螺线扫描轨迹，进而完成不同形状微小孔的高质量加工。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用同心圆或螺旋轨迹进行加工，加工孔直径范围在25-1000 µm，最大深径比大于10:1；加工材料包括钨合金、钛合金、镍合金、硬脆材料和复合材料。