[发明专利]一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光打孔方法。

技术背景

激光打孔技术是激光在材料加工领域最早的应用技术之一。在激光打孔过程中，高能量的脉冲激光聚焦在工件表面，使材料加热、熔化甚至汽化，随后金属蒸气急剧膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力共同作用下，熔融材料被挤出孔外，后续的脉冲激光持续上述过程，材料不断地去除直至形成盲孔或者通孔。

激光打孔与其他打孔方法相比具有打孔深径比大、无接触、无工具损耗、加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料等显著优越性，能良好地满足现代工业产品加工的要求，广泛应用于航空航天、电子仪表及医疗器械等高精尖端产品的关键零部件中，如激光加工技术应用于加工航空发动机上高达10⁴个冷却孔。

但是，现有的脉冲激光打孔技术存在以下几个技术难点：

1.存在打孔极限深度，即改变激光打孔参数：激光功率、激光频率、激光脉宽、光斑大小、离焦量、打孔时间、辅助气体等，打孔最大深度不超过某一极限值，限制了激光打孔技术向深孔的发展。出现极限深度的原因是，高压辅助气体在深孔中压力损耗过大，到达孔底的气压不足以破坏液体表面张力，同时，孔深越大，压力越难将熔融材料从孔底挤压出到孔外，导致孔不再向深度方向发展。孔底高温的熔融材料一旦难以排出孔外，会使周边的材料熔化，使孔底的孔径变大，孔径不规则，产生鼓形的畸形孔。

2.孔壁上附着一定厚度的重铸层，会引发孔内微裂纹的产生，重铸层厚度越大，微裂纹的萌生率越高。出现该现象的原因是，孔底熔融材料是贴着孔壁表面向孔外喷射的，当蒸气反作用力和辅助气体压力不足或者熔融材料聚集过多时，压力不足以将孔壁上熔融材料推出孔外，而在孔壁凝固下来，形成重铸层。尤其在深孔加工中，熔融材料由于外界压力不足会在孔壁上积存过多，形成较厚的重铸层，由于重铸层结构较疏松，是微裂纹产生的源头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法，以加快打孔速度，提高打孔质量。

为了解决以上技术问题，本发明基于激光冲击波理论，将工件下表面诱导等离子体爆炸产生的冲击波作用于熔池中的固液界面，使熔融材料与工件材料分离并溅射出孔外，最终熔池变成孔穴，具体技术方案如下：

一种激光诱导冲击波辅助激光打孔方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在工件(4)下表面向下依次覆盖一层吸收层(6)和一层透明的约束层(7)；

步骤二，将工件(4)固定在两个竖直且相对的激光头之间，保证两个激光头产生的高能脉冲激光A(1)和高能脉冲激光B(8)的中心与所需打的孔的中心在同一直线上，并使工件(4)覆盖有吸收层(6)的一侧朝下；

步骤三，设置工件(4)上下侧的激光器参数，使高能脉冲激光A(1)参数和高能脉冲激光B(8)参数满足加工要求；所述高能脉冲激光A(1)参数包括激光功率、激光脉宽、激光频率和激光离焦量；所述高能脉冲激光B(8)参数包括激光能量、脉冲宽度、激光频率；

步骤四，使高能脉冲激光A(1)位于工件(4)上侧并作用于工件(4)上表面使工件(4)上表面产生熔池；同时，使高能脉冲激光B(8)穿透约束层(7)作用于吸收层(6)诱导等离子体爆炸形成冲击波(5)，冲击波(5)沿着工件(4)向上传播并在固液界面(3)处产生扰动，在固液界面(3)产生拉应力，拉应力迫使熔融材料(2)与工件(4)分离，从而使熔融材料(2)破碎并喷出孔外，形成孔穴；后续高能脉冲激光重复上述过程，直至孔深达到要求；

步骤五，取下工件(4)，去除工件(4)下表面的吸收层(6)和约束层(7)。

所述高能脉冲激光A(1)的激光功率为500W～5000W，激光脉宽为100ns～20ms，激光频率为10～200Hz，激光离焦量为2～-5mm。

所述高能脉冲激光B(8)的激光能量为1～100J，脉冲宽度为10～30ns，激光频率为10～200Hz。

本发明的工作原理为：高能脉冲激光作用于工件上表面使工件上表面产生熔池，然后高能脉冲激光穿过约束层并作用于吸收层诱导等离子体爆炸产生冲击波，冲击波沿着工件向上传播并在固液界面处产生扰动，在固液界面产生拉应力，拉应力迫使熔融材料与工件分离，从而使熔融材料破碎并喷出孔外，形成孔穴。