鋁合金雷射打孔方法及裝置製造方法
2023-05-31 12:56:06
鋁合金雷射打孔方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明適用於雷射加工【技術領域】，提供了一種鋁合金雷射打孔方法，旨在解決如何消除現有技術中鋁合金雷射打孔所形成的通孔錐度的問題。該鋁合金雷射打孔方法包括以下步驟：雷射打孔、配置溶液以及腐蝕通孔。本發明還提供了一種鋁合金雷射打孔裝置。該鋁合金雷射打孔方法採用雷射束在鋁合金表面加工通孔，且該通孔具有錐度，並利用化學溶液與鋁合金髮生化學反應以消除通孔錐度，從而獲得無錐度的通孔，該方法加工效率高，且鋁合金不發生形變。
【專利說明】鋁合金雷射打孔方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於雷射加工【技術領域】，尤其涉及一種鋁合金雷射打孔方法及裝置。
【背景技術】
[0002]鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械製造、船舶及化學工業中已大量應用。隨著近年來科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金加工通孔構件的需求日益增多，使鋁合金的通孔加工研究也隨之深入。
[0003]傳統的鋁合金加工通孔的方法有模衝、鑽床鑽孔以及電火花，然而，這些加工方法均無法克服鋁合金材料形變及加工效率的問題，例如，模衝加工對衝頭的要求高且能滿足加工效率要求，但是形變嚴重；鑽床鑽孔的效率低、形變相對較小，但鑽頭耗損成本高；電火花打孔可以滿足形變要求，但效率低下，加工過程中容易產生變質層，需進一步去除，而且工作液即油霧容易附著在鋁合金的內外表面，難以一次性清洗乾淨，增加了後續處理難度。
[0004]雷射打孔屬於非接觸加工方法，速度快、效率高、無工具耗損且無變形，能獲得較高的經濟效益，尤其在加工高硬度、高熔點材料時，具有傳統加工方法無法比擬的優勢。但是，一般的雷射打孔方法所形成的通孔都有一定的錐度，無法滿足通孔的形狀要求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種鋁合金雷射打孔方法，旨在解決如何消除現有技術中鋁合金雷射打孔所形成的通孔錐度的問題。
[0006]本發明實施例是這樣實現的，一種鋁合金雷射打孔方法包括以下步驟:
[0007]雷射打孔:採用雷射束在鋁合金工件表面上加工通孔，所述通孔內壁具有錐度；
[0008]配置溶液:配置具有腐蝕性的化學溶液；以及
[0009]腐蝕通孔:將所述化學溶液注入所述通孔內以對所述通孔的錐度進行衝擊腐蝕。
[0010]進一步地，所述雷射打孔的步驟中還包括以下步驟:
[0011 ] 雷射器生成所述雷射束；
[0012]提供用於傳輸所述雷射束的光學系統；以及
[0013]所述光學系統將所述雷射束聚集至所述鋁合金工件表面。
[0014]進一步地，所述雷射束為單脈衝雷射束或者多脈衝雷射束。
[0015]進一步地，所述雷射打孔的步驟中還包括採用輔助性氣體加速所述鋁合金排出。
[0016]進一步地，所述化學溶液的壓力範圍為I?lOMPa。
[0017]進一步地，所述化學溶液為可溶解所述鋁合金的鹼性溶液或者酸性溶液。
[0018]進一步地，所述鹼性溶液為氫氧化鈉溶液，所述酸性溶液為硝酸、磷酸、醋酸、鹽酸、硫酸中的一種或者多種的混合溶液。
[0019]進一步地，所述化學溶液的溫度高於室溫。
[0020]本發明另一實施例是這樣實現的，一種鋁合金雷射打孔裝置包括產生雷射束的雷射器、提供所述雷射器能量並控制所述雷射束輸出方式的電氣控制部、將所述雷射器產生的所述雷射束聚焦至鋁合金工件的加工部位的光學系統以及用於放置所述鋁合金工件的工作平臺，所述雷射束在所述鋁合金工件上加工具有錐度的通孔，所述鋁合金雷射打孔裝置還包括輸入化學溶液以注入所述通孔內的噴嘴，所述化學溶液衝擊腐蝕具有錐度的所述通孔。
[0021]進一步地，所述光學系統包括用於對所述雷射器產生的雷射束進行擴束處理的擴束準直鏡、對擴束處理後的所述雷射束進行反射作用的反射鏡以及將所述反射鏡發射的所述雷射束聚集併入射至所述工作平臺上的所述鋁合金工件表面的聚焦鏡。
[0022]本發明提供的鋁合金雷射打孔方法利用雷射束在鋁合金表面加工具有錐度的通孔，以提高生產效率並減小鋁合金因加工而產生的形變；並通過將化學溶液注入所述通孔內以腐蝕所述通孔的錐度內壁，即採用化學溶液與通孔內多餘鋁合金髮生化學反應以達到消除通孔錐度的目的，從而獲得內部直徑基本一致的通孔。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明實施例提供的鋁合金雷射打孔方法的步驟流程圖。
[0024]圖2是本發明實施例提供的雷射打孔步驟的流程圖。
[0025]圖3是本發明實施例提供的鋁合金雷射打孔裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0027]請參照圖1，本發明【具體實施方式】中提供的鋁合金雷射打孔方法包括以下步驟:
[0028]雷射打孔:採用雷射束在鋁合金工件表面上加工通孔，所述通孔內壁具有錐度；
[0029]配置溶液:配置具有腐蝕性的化學溶液；以及
[0030]腐蝕通孔:沿所述通孔孔徑較大的一端將所述化學溶液注入所述通孔內以對所述通孔進行衝擊腐蝕。
[0031]該鋁合金雷射打孔方法採用雷射束在鋁合金表面加工通孔，以提高效率並減小鋁合金因加工而產生的變形；採用化學溶液注入所述通孔內以腐蝕通孔的錐度內壁，即利用化學溶液與鋁合金髮生化學反應以腐蝕該錐度內壁，從而獲得沒有錐度的通孔。
[0032]請參照圖2，在本發明提供的【具體實施方式】中，所述雷射打孔的步驟中還包括以下步驟:
[0033]雷射器生成所述雷射束；
[0034]提供用於傳輸所述雷射束的光學系統；以及
[0035]所述光學系統將所述雷射束聚集至所述鋁合金工件表面。
[0036]所述雷射器是將電源提供的電能轉換為雷射能以生成雷射束，優選地，該雷射器可以是氣體雷射器，例如，二氧化碳雷射器，也可以是固體雷射器，例如，紅寶石雷射器、釹玻璃雷射器或者YAG雷射器。
[0037]該光學系統用於將所述雷射器生成的雷射束精確地聚集到鋁合金工件表面的待加工部位，所述光學系統包括用於對所述雷射器產生的雷射束進行擴束處理的擴束準直鏡、對擴束處理後的雷射束進行發射作用的反射鏡以及將所述反射鏡發射的雷射束聚集併入射至工作檯上的鋁合金工件表面的聚焦鏡。通過擴束、反射、聚焦形成的高能量的雷射束，照射在鋁合金工件表面，所述雷射束將鋁合金表面的待加工區域熔融、氣化、蒸發，並形成具有錐度的通孔，該光學系統使雷射器產生的雷射束能量增強，一方面有利於提高打孔精度和打孔速度，從而提高打孔效率，另一方面可以有效地利用雷射器產生的雷射束能量，減小能量損失。優選地，所述反射鏡為45度全反射鏡。
[0038]在本發明提供的【具體實施方式】中，所述雷射打孔的方式採用單脈衝雷射打孔方式或者多脈衝雷射打孔方式。其中，採用單脈衝雷射打孔所需脈衝雷射能量較高，以防止鋁合金熔融物未被噴射出所述通孔而出現再凝固現象；多脈衝雷射打孔是採用一組重複周期遠遠大於鋁合金材料凝固時間的極短脈衝光束來進行打孔加工，由於多次脈衝雷射能量的不斷積累，使照射區內的鋁合金材料逐層汽化蒸發，逐漸將孔加深直至形成通孔，該打孔方式還可以利用每個脈衝雷射之間的時間間隔，及時改變鋁合金工件與雷射束焦點之間的相對位置，使得在這個時間間隔內，雷射束焦點的相對位移量剛好等於被雷射汽化蒸發出來的鋁合金材料的厚度，因而，在雷射打孔的全過程中，可始終保持雷射束在照射內區的能量密度不變，以提高所述通孔的精度，減小孔壁的表面粗糙度，優選地，孔徑決定於脈衝雷射重複照射的次數，孔徑決定於單個脈衝雷射能量的大小。
[0039]在本發明提供的【具體實施方式】中，所述雷射打孔的步驟中還包括採用輔助性氣體加速所述鋁合金排出。具體地，由供氣裝置提供的輔助性氣體通過噴嘴吹向鋁合金工件的待加工區域，即通過輔助性氣體射流與鋁合金工件相互作用，以加速熔融鋁合金排出，也可以加速通孔加工處的溫度降低速度，保證熱量控制在較小範圍內。優選地，所述輔助性氣體為氧氣、氬氣、氦氣、氮氣或者其他氣體。
[0040]在本發明提供的【具體實施方式】中，所述化學溶液的壓力範圍為Ι-lOMPa。將具有該壓力範圍的化學溶液從所述通孔之孔徑較大一端注入通孔內，並從所述通孔另一端流出，保證該化學溶液完全注入所述通孔內以與具有錐度的孔壁發生化學反應，使通孔內部的直接逐漸趨於一致，而獲得沒有錐度的通孔。
[0041]在本發明提供的【具體實施方式】中，所述化學溶液為可溶解所述鋁合金的鹼性溶液或者酸性溶液。利用所述化學溶液與鋁合金髮生化學反應，以消除通孔錐度。在鹼性溶液中，鋁與鹼性溶液發生如下反應:2A1+20H_+2H20 — 3H2+2A102_，這種反應過程使鋁合金腐蝕以達到消除通孔錐度的目的；在酸性溶液中，鋁合金中各金屬元素與酸性溶液發生化學反應，以腐蝕鋁合金從而達到消除通孔內錐度的目的。
[0042]所述鹼性溶液為氫氧化鈉(NaOH)溶液，所述酸性溶液為硝酸、磷酸、醋酸、鹽酸、硫酸中的一種或者多種的混合溶液。在NaOH溶液中，鋁與NaOH溶液發生如下反應:2Al+2Na0H_+2H20 — 3H2+2NaA102，這樣，鋁合金被腐蝕而消除通孔錐度。在酸性溶液中，以鹽酸(HCl)為例，鋁合金中的鋁元素與鹽酸溶液發生如下反應:2A1+6HC1 — 3H2+2A1C13，同樣地，鋁合金中的其他金屬元素也與酸性溶液發生化學反應，從而消除通孔內錐度。所述酸性溶液也可以是上述幾種酸性溶液的混合物，例如，專利(CN200510044854.0)中所述的由鹽酸(36%-38% (重量百分數，下同)的溶液)、硫酸(95%-98%的溶液)、磷酸(不小於85%的溶液)和額外添加的水所組成的化學蝕刻溶液，也可以是其他混合溶液。
[0043]在本發明提供的【具體實施方式】中，所述化學溶液的溫度高於室溫。為了加快化學溶液對鋁合金的腐蝕速度，將化學溶液的溫度加熱至高於室溫的溫度，以提高生產效率。室溫指約20°C左右(18?25°C )的溫度條件。優選地，將所述化學溶液的溫度加熱至60?70。。。
[0044]請參照圖3，本發明【具體實施方式】中提供的鋁合金雷射打孔裝置包括產生雷射束40的雷射器10、提供所述雷射器10能量並控制所述雷射束40輸出方式的電氣控制部20、將所述雷射器10產生的所述雷射束40聚焦至鋁合金工件60的加工部位的光學系統30以及用於放置所述鋁合金工件60的工作平臺50，所述雷射束40在所述鋁合金工件60上加工具有錐度的通孔，所述鋁合金雷射打孔裝置還包括輸入化學溶液以注入所述通孔內的噴嘴(未圖示)，所述化學溶液衝擊腐蝕具有錐度的所述通孔。所述電氣控制部20包括對雷射器10供給能量的電源和控制雷射束40輸出方式(例如，脈衝式或連續式等)的控制單元。所述雷射器10是將電源提供的電能轉換為雷射能以生成雷射束40，所述光學系統30用於將所述雷射器10生成的雷射束40精確地聚集到鋁合金工件60表面的待加工部位，所述光學系統30包括用於對所述雷射器10產生的雷射束40進行擴束處理的擴束準直鏡32、對擴束處理後的雷射束40進行反射作用的反射鏡34以及將所述反射鏡34發射的雷射束40聚集併入射至工作平臺50上的鋁合金工件60表面的聚焦鏡36。通過擴束、反射、聚焦形成的高能量的雷射束40，照射在鋁合金工件60表面，所述雷射束40將鋁合金表面的待加工區域熔融、氣化、蒸發，並形成具有錐度的通孔。所述工作平臺50由人工控制或採用數控裝置控制，所述工作平臺50上方的聚焦鏡36下設有吸、吹氣裝置，以保持工件表面和聚焦鏡36的清潔。
[0045]在本發明提供的【具體實施方式】中，所述化學溶液為可溶解所述鋁合金的鹼性溶液或者酸性溶液。此處所述化學溶液與上述鋁合金雷射打孔方法中所述的化學溶液的成分與作用相同，此處不贅述。
[0046]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，包括以下步驟: 雷射打孔:採用雷射束在鋁合金工件表面上加工通孔，所述通孔內壁具有錐度； 配置溶液:配置具有腐蝕性的化學溶液；以及 腐蝕通孔:將所述化學溶液注入所述通孔內以對所述通孔的錐度進行衝擊腐蝕。
2.如權利要求1所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述雷射打孔的步驟中還包括以下步驟: 雷射器生成所述雷射束； 提供用於傳輸所述雷射束的光學系統；以及 所述光學系統將所述雷射束聚集至所述鋁合金工件表面。
3.如權利要求1所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述雷射束為單脈衝雷射束或者多脈衝雷射束。
4.如權利要求1所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述雷射打孔的步驟中還包括採用輔助性氣體加速所述鋁合金排出。
5.如權利要求1至4任意一項所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述化學溶液的壓力範圍為I?lOMPa。
6.如權利要求1至4任意一項所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述化學溶液為可溶解所述鋁合金的鹼性溶液或者酸性溶液。
7.如權利要求6所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述鹼性溶液為氫氧化鈉溶液，所述酸性溶液為硝酸、磷酸、醋酸、鹽酸、硫酸中的一種或者多種的混合溶液。
8.如權利要求1至4任意一項所述的鋁合金雷射打孔方法，其特徵在於，所述化學溶液的溫度高於室溫。
9.一種鋁合金雷射打孔裝置，包括產生雷射束的雷射器、提供所述雷射器能量並控制所述雷射束輸出方式的電氣控制部、將所述雷射器產生的所述雷射束聚焦至鋁合金工件的加工部位的光學系統以及用於放置所述鋁合金工件的工作平臺，所述雷射束在所述鋁合金工件上加工具有錐度的通孔，其特徵在於，還包括輸入化學溶液以注入所述通孔內的噴嘴，所述化學溶液衝擊腐蝕具有錐度的所述通孔。
10.如權利要求9所述的鋁合金雷射打孔裝置，所述光學系統包括用於對所述雷射器產生的雷射束進行擴束處理的擴束準直鏡、對擴束處理後的所述雷射束進行反射作用的反射鏡以及將所述反射鏡發射的所述雷射束聚集併入射至所述工作平臺上的所述鋁合金工件表面的聚焦鏡。
【文檔編號】B23K26/70GK104275554SQ201310284493
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2013年7月8日
【發明者】肖華, 朱寶華, 高雲峰 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司