一种双激光复合切割的高精度制孔方法

摘要

本发明提供了一种双激光复合切割的高精度制孔方法，包括：将激光切割头安装在激光加工机床的加工头位置，激光切割头能够输出双激光束，一束为高功率热熔切割激光束，另一束为超快脉冲精密修整激光束；调整激光切割头与工件的相对方位，使得由激光切割头输出的两束激光束均垂直或以一定偏角入射到工件表面并聚焦于工件表面；聚焦后的两束激光束的光轴为同轴或平行；采用三种方式中的任意一种方式来开启复合切割过程。本发明所述的双激光复合切割制孔方法不会产生表面淬硬层，因此不再需要采用传统机械加工方法，如铣、镗、钻、车等方式去除表面淬硬层，因此可以直接用于重要金属零部件的制孔，包括螺栓孔、销孔等有冲击或疲劳载荷的孔加工。

权利要求

1.一种双激光复合切割的高精度制孔方法，双激光束由具有不同特性参数的两束激光束构成，一束为高功率热熔切割激光束，另一束为超快脉冲精密修整激光束；两束激光束的光路系统、工艺参数相互独立；

其特征在于，包括如下步骤：

(1)将工件装夹在工作台上；将激光切割头安装在激光加工机床的加工头位置，所述激光切割头能够输出双激光束，且能够在待加工工件表面做XYZ三维扫描运动；

(2)调整激光切割头与工件的相对方位，使得由激光切割头输出的两束激光束均垂直或以一定偏角入射到工件表面并聚焦于工件表面；聚焦后的两束激光束的光轴为同轴或平行；

(3)采用如下三种方式中的任意一种方式来开启复合切割过程；所述复合切割过程中，始终保持辅助气体吹气以去除激光熔化或烧蚀产生的材料废渣；

方式一：首先开启热熔切割激光器，使得高功率热熔切割激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆周轮廓和预设的移动速度做三维扫描切割运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时采用与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开形成孔，之后关闭高功率热熔切割激光束；

所述热熔切割圆周轮廓是将制孔的设计孔径减去预留的超快激光精修厚度而得；所述超快激光精修厚度等于热熔切割的淬硬层深度；

之后开启超快激光器，使得超快脉冲精密修整激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面，要求其聚焦光斑直径等于预留的超快激光精修厚度，控制激光切割头从高功率热熔切割得到的切割孔壁面径向外延一个聚焦光斑半径的距离，沿着制孔圆周轮廓进行扫描修整加工，根据需要扫描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除；

方式二：首先开启热熔切割激光器，使得高功率热熔切割激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆周轮廓和预设的移动速度做三维扫描切割运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时采用与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开形成孔，之后关闭高功率热熔切割激光束；

所述热熔切割圆周轮廓是将制孔的设计孔径减去预留的超快激光精修厚度而得；所述超快激光精修厚度等于热熔切割的淬硬层深度；

之后开启超快激光器，使得超快脉冲精密修整激光束进入激光切割头，经过激光振镜扫描系统和聚焦透镜之后，聚焦在工件表面，激光振镜扫描系统根据程序编制实现将超快脉冲精密修整激光束做直线反复扫描运动，要求其直线反复扫描运动的扫描范围等于预留的超快激光精修厚度，沿着制孔圆周轮廓进行扫描修整加工，根据需要扫描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除；

方式三：同时开启热熔切割激光器和超快激光器，使得高功率热熔切割激光束和超快脉冲精密修整激光束同时输出，保持沿制孔径向向外依次排布高功率热熔切割激光束聚焦光斑和超快脉冲精密修整激光束聚焦光斑，即高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆周轮廓，超快脉冲精密修整激光束聚焦光斑直径等于预留的超快激光精修厚度，或者如上方式二所述利用激光振镜扫描系统根据程序编制实现将超快脉冲精密修整激光束做直线反复扫描运动，控制激光切割头沿着制孔圆周轮廓同时进行切孔和修整复合加工，一圈完毕后关闭高功率热熔切割激光束，然后根据需要将超快脉冲精密修整激光束继续扫描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除；

(4)复合切割制孔过程完成。

说明书

一种双激光复合切割的高精度制孔方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工领域，具体涉及一种双激光复合切割的高精度制孔方法。

背景技术

[0002] 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的金属材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将
工件割开。与传统等离子体切割、氧乙炔切割一样，激光切割属于热切割方法之一。

[0003] 在激光切割断面过程中，不可避免存在两个缺陷，一是在激光切割路径的开始、转折和结束位置，由于切割头急加减速和切割熔融材料体积的突变，始终存在一个竖直的坑
或坎(沿光轴方向)缺陷，该处表面粗糙度较大；二是由于其是热熔切割机理，激光切割断面
始终存在一个表面淬硬层，淬硬深度约0.1～0.4mm。这两个缺陷使得激光切割目前被严格
限制不能用于重要金属零部件的直接制孔，尤其是不得用于螺栓孔、销孔等有冲击或疲劳
载荷的孔加工，这类孔一般都必须采用传统机械钻孔工艺加工。如果一定要制孔，在激光切
割切出孔型之后，还要采用传统机械加工方法如铣、镗、钻、车等方式进行精加工，以去除表
面淬硬层和提高孔壁表面粗糙度，这种方式费时费力，性价比也很低(远不如机械钻孔一步
到位)。因此虽然激光切割具有速度快、成本低、无耗材等突出特点，但目前市面上都不采用
激光切割制孔。

[0004] 近年来出现的超快激光微加工技术，利用超高功率密度、超短脉冲宽度(皮秒、飞秒)特性，其作用于金属材料是完全不同的“冷”加工效果，即几乎没有热影响区，加工精度
非常高，孔壁面光洁无缺陷，目前已被用于飞机发动机叶片气膜孔等高精尖零部件的制孔。
但是，超快激光微加工技术天生存在着加工效率低的缺点，其“微加工”的特性显然并不适
合于一般金属零部件的制孔，性价比太低。

发明内容

[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种双激光复合切割的高精度制孔方法，该双激光复合切割的高精度制孔方法能够直接用于重要金属零部件的制孔，加工精度
高、效率高。

[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：

[0007] 一种双激光复合切割的高精度制孔方法，包括如下步骤：

[0008] (1)将工件装夹在工作台上；将激光切割头安装在激光加工机床的加工头位置，所述激光切割头能够输出双激光束，且能够在待加工工件表面做XYZ三维扫描运动；

[0009] 所述双激光束由具有不同特性参数的两束激光束构成，一束为高功率热熔切割激光束，另一束为超快脉冲精密修整激光束；两束激光束的光路系统、工艺参数相互独立；

[0010] (2)调整激光切割头与工件的相对方位，使得由激光切割头输出的两束激光束均垂直或以一定偏角入射到工件表面并聚焦于工件表面；聚焦后的两束激光束的光轴为同轴
或平行；

[0011] (3)采用如下三种方式中的任意一种方式来开启复合切割过程；所述复合切割过程中，始终保持辅助气体吹气以去除激光熔化或烧蚀产生的材料废渣；

[0012] 方式一：首先开启热熔切割激光器，使得高功率热熔切割激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆
周轮廓和预设的移动速度做三维扫描切割运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，使被
照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时采用与光束同轴的高速气流吹除熔融物
质，从而实现将工件割开形成孔，之后关闭高功率热熔切割激光束；

[0013] 所述热熔切割圆周轮廓是将制孔的设计孔径减去预留的超快激光精修厚度而得；所述超快激光精修厚度等于热熔切割的淬硬层深度；

[0014] 之后开启超快激光器，使得超快脉冲精密修整激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面，要求其聚焦光斑直径等于预留的超快激光精修厚度，控制激光
切割头从高功率热熔切割得到的切割孔壁面径向外延一个聚焦光斑半径的距离，沿着制孔
圆周轮廓进行扫描修整加工，根据需要扫描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被
全部去除；

[0015] 方式二：首先开启热熔切割激光器，使得高功率热熔切割激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆
周轮廓和预设的移动速度做三维扫描切割运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，使被
照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时采用与光束同轴的高速气流吹除熔融物
质，从而实现将工件割开形成孔，之后关闭高功率热熔切割激光束；

[0016] 所述热熔切割圆周轮廓是将制孔的设计孔径减去预留的超快激光精修厚度而得；所述超快激光精修厚度等于热熔切割的淬硬层深度；

[0017] 之后开启超快激光器，使得超快脉冲精密修整激光束进入激光切割头，经过激光振镜扫描系统和聚焦透镜之后，聚焦在工件表面，激光振镜扫描系统根据程序编制实现将
超快脉冲精密修整激光束做直线反复扫描运动，要求其直线反复扫描运动的扫描范围等于
预留的超快激光精修厚度，沿着制孔圆周轮廓进行扫描修整加工，根据需要扫描一圈或若
干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除；

[0018] 方式三：同时开启热熔切割激光器和超快激光器，使得高功率热熔切割激光束和超快脉冲精密修整激光束同时输出，保持沿制孔径向向外依次排布高功率热熔切割激光束
聚焦光斑和超快脉冲精密修整激光束聚焦光斑，即高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔
切割圆周轮廓，超快脉冲精密修整激光束聚焦光斑直径等于预留的超快激光精修厚度，或
者如上方式二所述利用激光振镜扫描系统根据程序编制实现将超快脉冲精密修整激光束
做直线反复扫描运动，控制激光切割头沿着制孔圆周轮廓同时进行切孔和修整复合加工，
一圈完毕后关闭高功率热熔切割激光束，然后根据需要将超快脉冲精密修整激光束继续扫
描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除；

[0019] (4)复合切割制孔过程完成。

[0020] 本发明具有如下有益效果：

[0021] 1、本发明所述的双激光复合切割制孔方法不会产生表面淬硬层，因此不再需要采用传统机械加工方法，如铣、镗、钻、车等方式去除表面淬硬层，因此可以直接用于重要金属
零部件的制孔，包括螺栓孔、销孔等有冲击或疲劳载荷的孔加工。

[0022] 2、本发明所述的双激光复合切割制孔方法同时解决了传统激光切割壁面始终存在的竖直坑或坎(沿光轴方向)缺陷，所制孔璧面光洁度高、表面粗糙度小，适合于高精度孔
的加工。

[0023] 3、本发明所述的双激光复合切割制孔方法利用了双光束复合光路自动加工，工序简单，只有一次工件装夹，避免了传统先切孔再孔壁修整的多次装夹，因此加工效率高、精
度高。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0025] 本发明提供了一种双激光复合切割的高精度制孔方法，具体包括如下步骤：

[0026] (1)将工件装夹在工作台上；将激光切割头安装在激光加工机床的加工头位置，所述激光切割头能够输出双激光束，且能够在待加工工件表面做XYZ三维扫描运动。

[0027] 所述双激光束由具有不同特性参数的两束激光束构成，一束为高功率热熔切割激光束，可以是目前工业激光切割机床所用的光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器输出的
激光束等；另一束为超快脉冲精密修整激光束，可以是以皮秒与飞秒激光器为代表的超快
激光器输出的极短脉冲激光束(脉冲持续时间只有几个皮秒或飞秒，峰值功率极高，用于材
料加工具有独特的超精细、无热影响等优异性能)。

[0028] 两束激光束的光路系统、工艺参数相互独立，所述工艺参数包括激光功率、聚焦光斑直径、脉冲重复频率、辅助气体成分、吹气压力、运动路径等。

[0029] (2)调整激光切割头与工件的相对方位，使得由激光切割头输出的两束激光束均垂直或以一定偏角入射到工件表面并聚焦于工件表面；聚焦后的两束激光束的光轴为同轴
或平行；

[0030] (3)开启复合切割过程，具体可以采用如下三种方式：

[0031] 方式一：首先开启热熔切割激光器，使得高功率热熔切割激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆
周轮廓和预设的移动速度做三维扫描切割运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，使被
照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时采用与光束同轴的高速气流吹除熔融物
质，从而实现将工件割开形成孔，之后关闭高功率热熔切割激光束。

[0032] 所述热熔切割圆周轮廓是将制孔的设计孔径减去预留的超快激光精修厚度(亦即热熔切割的淬硬层深度)而得。

[0033] 所述热熔切割的淬硬层深度为经验参数，可以预先进行相同材料、相同板厚和相同切割工艺参数的切割实验，对切割后试样做金相分析获得。

[0034] 之后开启超快激光器，使得超快脉冲精密修整激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面，要求其聚焦光斑直径等于预留的超快激光精修厚度(亦即热熔
切割的淬硬层深度)，控制激光切割头从高功率热熔切割得到的切割孔壁面径向外延一个
聚焦光斑半径的距离，沿着制孔圆周轮廓进行扫描修整加工，根据需要扫描一圈或若干圈，
最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除。

[0035] 方式二：首先开启热熔切割激光器，使得高功率热熔切割激光束进入激光切割头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔切割圆
周轮廓和预设的移动速度做三维扫描切割运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，使被
照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时采用与光束同轴的高速气流吹除熔融物
质，从而实现将工件割开形成孔，之后关闭高功率热熔切割激光束。

[0036] 所述热熔切割圆周轮廓是将制孔的设计孔径减去预留的超快激光精修厚度(亦即热熔切割的淬硬层深度)而得。

[0037] 之后开启超快激光器，使得超快脉冲精密修整激光束进入激光切割头，经过激光振镜扫描系统和聚焦透镜之后，聚焦在工件表面，激光振镜扫描系统根据程序编制可实现
将超快脉冲精密修整激光束做直线反复扫描运动，要求其直线反复扫描运动的扫描范围等
于预留的超快激光精修厚度(亦即热熔切割的淬硬层深度)，沿着制孔圆周轮廓进行扫描修
整加工，根据需要扫描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除。

[0038] 方式三：同时开启热熔切割激光器和超快激光器，使得高功率热熔切割激光束和超快脉冲精密修整激光束同时输出，保持沿制孔径向向外依次排布高功率热熔切割激光束
聚焦光斑和超快脉冲精密修整激光束聚焦光斑，即高功率热熔切割激光束按照制孔的热熔
切割圆周轮廓，超快脉冲精密修整激光束聚焦光斑直径等于预留的超快激光精修厚度(亦
即热熔切割的淬硬层深度)或者如上方式二所述利用激光振镜扫描系统根据程序编制可实
现将超快脉冲精密修整激光束做直线反复扫描运动，控制激光切割头沿着制孔圆周轮廓同
时进行切孔和修整复合加工，一圈完毕后关闭高功率热熔切割激光束，然后根据需要将超
快脉冲精密修整激光束继续扫描一圈或若干圈，最终使得孔壁面表面淬硬层被全部去除；

[0039] 所述复合切割过程中，始终保持辅助气体吹气以去除激光熔化或烧蚀产生的材料废渣。

[0040] (4)结束复合切割制孔。

[0041] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利
要求的范围之内。