本發(fā)明屬于激光微加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空氣及水環(huán)境的時(shí)序激光打孔裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光先進(jìn)制造與加工技術(shù)在汽車、機(jī)械、冶金化工、微電子及航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。激光打孔作為激光加工技術(shù)的一個應(yīng)用方向，在許多工業(yè)產(chǎn)品關(guān)鍵部件的精密微孔制作中得到了應(yīng)用。針對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜孔的加工，為了保證渦輪葉片能夠在高溫燃?xì)庵锌煽抗ぷ鳎冗M(jìn)的渦輪葉片目前已普遍采用了表面噴涂陶瓷熱障涂層(TBC)的鎳基合金，而且渦輪通常都要采氣膜孔的冷卻手段。目前的工程實(shí)際中主要采用的還是圓孔，直徑0.25mm-1.25mm，每臺發(fā)動機(jī)的渦輪葉片上擁有3萬個左右的氣膜孔。氣膜孔孔徑小、數(shù)量多、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)使其成為葉片制造中的難點(diǎn)。目前氣膜孔加工方法主要包括電火花打孔、電化學(xué)打孔、激光打孔。在這些加工工藝中激光加工優(yōu)勢明顯，具有效率高而且質(zhì)量好、非接觸式處理、材料中輸入熱量低、鉆孔的材料范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)易于和數(shù)控技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動化，可以一次加工完成帶熱障涂層葉片上的氣膜孔。從葉片制造技術(shù)發(fā)展來看，高能激光打孔將成為未來渦輪葉片氣膜孔的主流加工技術(shù)。

針對激光渦輪葉片氣膜孔加工，一些研究人員曾經(jīng)采用大功率長脈沖激光來實(shí)現(xiàn)渦輪葉片氣膜孔高效加工，但發(fā)現(xiàn)孔加工過程中會產(chǎn)生較厚的重鑄層，其中分布有大量微裂紋，嚴(yán)重影響葉片使役性能。為了提高激光打孔的加工質(zhì)量，避免空氣環(huán)境下出現(xiàn)的氧化、空氣擊穿等現(xiàn)象，各國研究人員相繼開展了溶液環(huán)境下激光燒蝕加工的實(shí)驗(yàn)探索。研究表明水環(huán)境能夠減弱打孔過程中的等離子體屏蔽作用，水中空泡效應(yīng)產(chǎn)生的射流和沖擊波作用,對孔形起到了修飾作用。目前還沒有加工環(huán)境為空氣及水環(huán)境的時(shí)序變化的相關(guān)文獻(xiàn)公開。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于空氣及水環(huán)境的時(shí)序激光打孔裝置及方法，結(jié)合了傳統(tǒng)空氣及水下激光打孔的優(yōu)點(diǎn)，在保證加工效率的同時(shí)減少待加工材料表面和微孔內(nèi)壁的熔渣堆積，改善了孔壁的粗糙度。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于空氣及水環(huán)境的時(shí)序激光打孔裝置，包括水容器裝置3，水容器裝置3固定在三軸工作臺4上，水容器裝置3通過水泵6和水槽5連接，通過水泵6正反轉(zhuǎn)將水槽5中的水抽入或排出水容器裝置3，水容器裝置3的一側(cè)設(shè)有石英窗口，石英窗口處在納秒激光器1發(fā)出的激光穿過聚焦透鏡2后的激光光路上，水容器裝置3內(nèi)部放置的待加工材料表面位于聚焦透鏡2的焦點(diǎn)處。

一種基于空氣及水環(huán)境的時(shí)序激光打孔方法，包括以下步驟：

第一步，將水容器裝置3固定在三軸工作臺4上，水容器裝置3通過管路及水泵6和水槽5連接；

第二步，從納秒激光器1發(fā)出的激光通過聚焦透鏡2照射在水容器裝置3的石英窗口上，聚焦后的激光束透過石英窗口入射到水容器裝置3內(nèi)部放置的待加工材料表面；

第三步，加工環(huán)境時(shí)序交替，通過水泵6的正反轉(zhuǎn)控制水容器裝置3中水量的多少，控制空氣環(huán)境下的加工時(shí)間A和水溶液環(huán)境下的加工時(shí)間W，進(jìn)而控制激光打孔所需的總時(shí)間T，從而實(shí)現(xiàn)打孔過程中空氣和水環(huán)境的改變。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：1)利用了激光在水溶液中空泡效應(yīng)產(chǎn)生的射流和沖擊波作用,對孔形起到了修飾作用，同時(shí)又減少了水對激光的吸收作用。該方法結(jié)合了傳統(tǒng)空氣及水下激光打孔的優(yōu)點(diǎn)，在保證加工效率的同時(shí)提高了質(zhì)量；2)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方法易行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為加工環(huán)境時(shí)序示意圖。

圖3為空氣環(huán)境下激光燒蝕的微孔孔口及側(cè)壁形貌。

圖4為水環(huán)境下激光燒蝕的微孔孔口及側(cè)壁形貌。

圖5為環(huán)境時(shí)序下激光燒蝕的微孔孔口及側(cè)壁形貌。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參見圖1，一種基于空氣及水環(huán)境的時(shí)序激光打孔裝置，包括水容器裝置3，水容器裝置3固定在三軸工作臺4上，水容器裝置3通過水泵6和水槽5連接，通過水泵6正反轉(zhuǎn)將水槽5中的水抽入或排出水容器裝置3，水容器裝置3的一側(cè)設(shè)有石英窗口，石英窗口處在納秒激光器1發(fā)出的激光穿過聚焦透鏡2后的激光光路上，水容器裝置3內(nèi)部放置的待加工材料表面位于聚焦透鏡2的焦點(diǎn)處。

一種基于空氣及水環(huán)境的時(shí)序激光打孔方法，包括以下步驟：

第一步，參照圖1，將水容器裝置3固定在三軸工作臺4上，水容器裝置3通過管路及水泵6和水槽5連接；

第二步，從納秒激光器1發(fā)出的激光通過聚焦透鏡2照射在水容器裝置3的石英窗口上，聚焦后的激光束透過石英窗口入射到水容器裝置3內(nèi)部放置的待加工材料表面；

第三步，參照圖2，加工環(huán)境時(shí)序交替，通過水泵6的正反轉(zhuǎn)控制水容器裝置3中水量的多少，控制空氣環(huán)境下的加工時(shí)間A和水溶液環(huán)境下的加工時(shí)間W，進(jìn)而控制激光打孔所需的總時(shí)間T，從而實(shí)現(xiàn)打孔過程中空氣和水環(huán)境的改變。

為了對比不同環(huán)境對激光加工的影響，將帶熱障涂層的鎳基合金打孔實(shí)驗(yàn)分為三種類型：空氣下的納秒脈沖激光直沖式打孔，水下的納秒脈沖激光直沖式打孔，以及空氣和水環(huán)境交替時(shí)序下的納秒脈沖激光直沖式打孔。

參照圖3，空氣環(huán)境下激光帶熱障涂層鎳基合金打孔的孔口周圍沉積大量飛濺物，材料堆積在孔邊緣形成環(huán)形火山口狀突起，孔壁及孔底輪廓十分粗糙，孔壁上有激光能量燒蝕形成的沖刷條紋。

參照圖4，水環(huán)境下激光帶熱障涂層鎳基合金打孔無論是孔口還是輪廓形貌都明顯改善。由于激光空泡的脈動及其潰滅時(shí)在靶材面附近產(chǎn)生的射流和沖擊波都將給靶材帶來沖擊力的作用,這通沖擊力對材料有二次加工的效果?？卓跊]有出現(xiàn)材料堆積，但是由于側(cè)壁約束了激光在水溶液中空泡效應(yīng)產(chǎn)生的射流和沖擊波作用，持續(xù)的沖擊作用使側(cè)壁出現(xiàn)了明顯的水流沖擊溝壑。

參照圖5，空氣和水環(huán)境交替時(shí)序下的激光帶熱障涂層鎳基合金打孔的加工質(zhì)量很好。相對與水環(huán)境下加工，孔口同樣沒有出現(xiàn)材料堆積，孔壁上沒有沖刷條紋。圓度及孔壁粗糙度相對空氣環(huán)境大幅改善。隨著水下加工時(shí)間變長，孔徑的變化不明顯，但是孔深逐漸減小。環(huán)境時(shí)序利用了激光在水溶液中空泡效應(yīng)產(chǎn)生的射流和沖擊波作用,對孔形起到了修飾作用，同時(shí)又減少了水對激光的吸收作用。該環(huán)境時(shí)序激光加工方法結(jié)合了傳統(tǒng)空氣及水下激光打孔的優(yōu)點(diǎn)，在保證加工效率的同時(shí)提高了質(zhì)量。