新型皮秒雷射加工裝置的製作方法

2023-10-28 09:52:52 7

專利名稱：新型皮秒雷射加工裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型皮秒雷射加工裝置，用於加工噴油嘴上的微孔。
背景技術：
噴油器裝在發動機氣缸蓋上，作用是將燃油霧化成較細的顆粒，並噴 入到燃燒室中和空氣形成良好的可燃混合汽，從而提高燃燒效率。噴油器 由上部的噴油器體和下部的噴油嘴組成，高壓燃油經噴油器體從噴油嘴上 小孔出射形成霧化顆粒，顆粒大小由燃油壓力與小孔直徑決定，因而小孔 的質量對最終的燃燒效率有至關重要的作用。根據噴油嘴種類的不同，其
小孔的形狀也不同。小孔直徑在0.15 lmm之間，目前常用噴油嘴上的小
孔直徑一般在0.15 0.55mm之間，小孔深度小於lmm，小孔數量小於15 個。
目前，現有的機械加工技術在材料上打微型小孔一般只能加工孔徑大 於0.25mm的小孔，利用高端機械鑽孔機雖然可以鑽孔徑O.lmm左右的孔， 但其缺點在於價格昂貴、壽命較短，難以加工硬質合金，加工後的小孔內 壁有毛刺等缺點。電火花加工技術也常用來加工小孔。電火花技術可加工 直徑O.lmm以下的微孔，其加工精度較高。缺點在於速度慢，電極壽命短 且越小成本越高。目前雷射已被應用在微孔加工領域。利用光學系統可以 將雷射聚焦到小於0.01mm的光點，光點處的功率密度可達到109W/cm2， 加工時材料被熔化、汽化，從而形成小孔。相比於機械與電火花加工方式， 雷射加工技術有著顯著的優勢其加工速度快，每秒鐘可加工上千個孔，且孔一致性較好；成本較低，無工具損耗；壽命長，工作穩定。目前工業 上雷射鑽微孔普遍使用的是光脈衝寬度為納秒(10^)的雷射器。由於納秒 雷射器所產生的光脈衝寬度為納秒級，與材料相互作用時熱效應明顯，孔 邊緣出現不光滑、燒焦、崩口、熱裂紋等現象，導致加工精度降低。此外， 通常使用的振鏡掃描式光學系統雖然可加工O.lmm左右的微孔，但其缺點 在於加工效率低，所能加工的小孔徑深比有限，無法加工較深的小孔。
發明內容
本實用新型的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種用於噴油嘴 微孔加工的皮秒雷射加工裝置，旨在有效提高加工效率，增加噴孔徑深比， 提高噴孔加工精度與質量。
本實用新型的目的通過以下技術方案來實現
新型皮秒雷射加工裝置，包括皮秒雷射器、校準系統和螺旋光學加工 系統，特點是所述皮秒雷射器的輸出端布置有第一反射鏡，第一反射鏡 銜接第二反射鏡，第二反射鏡的輸出端設置光閘，光閘的輸出端連接有擴 束鏡，擴束鏡的輸出端銜接有第三反射鏡，第三反射鏡通過校準系統與螺 旋光學加工系統相銜接。
進一步地，上述的新型皮秒雷射加工裝置，所述皮秒雷射器輸出的激
光為皮秒級綠色雷射，波長為532nm。
更進一步地，上述的新型皮秒雷射加工裝置，所述擴束鏡的放大倍率 為3 10倍可調。
本實用新型技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在 本實用新型採用波長為532nm、光脈衝寬度為皮秒級的雷射器與螺旋 光學加工系統相結合組成加工裝置，用於加工噴油嘴微孔，加工所產生的 熱效應小，噴孔邊緣光滑，內壁無毛刺，加工效率及精度高。噴孔直徑大 小可調，最小可達60um;形狀可保證為圓柱形，其徑深比可達l: 20。顯著減少了加工過程中的熱效應，提高加工效率 質量。
以下結合附圖對本實用新型技術方案作進 圖l:本實用新型光路結構的示意圖； 圖2:本實用新型裝置的結構示意圖。 圖中各附圖標記的含義見下表
附圖 標記含義附圖 標記含義附圖 標記含義
1皮秒雷射器2第一反射鏡3第二反射鏡
4光閘擴束鏡6第三反射鏡
7校準系統8螺旋光學加工 系統9工作平臺
具體實施方式
本實用新型設計一種雷射微孔加工裝置，利用皮秒雷射與螺旋光學加 工系統相結合加工噴油嘴上的微孔，皮秒雷射經光學傳輸與校準系統後進 入螺旋光學加工系統，由軟體控制螺旋光學系統將光束聚焦後進行微孔加工。
如


圖1、圖2所示，新型皮秒雷射加工裝置，包括皮秒雷射器1、校 準系統7和螺旋光學加工系統8，皮秒雷射器1的輸出端布置有第一反射 鏡2，第一反射鏡2銜接第二反射鏡3，第二反射鏡3的輸出端設置光閘4， 光閘4的輸出端連接有擴束鏡5，擴束鏡5的輸出端銜接有第三反射鏡6， 第三反射鏡6通過校準系統7與螺旋光學加工系統8相銜接。
皮秒雷射器1輸出的雷射波長為532nm綠色雷射，金屬物質對於此波 段的光束具有較高的吸收率，從而使聚焦光斑處能量得到充分利用，可減 少加工時的熱效應。雷射的脈衝寬度為皮秒級，其單脈衝功率是納秒脈衝
，大大改善噴孔加工精度與
一歩說明:功率的1000倍，材料直接被氣化而不經過熔融態，可有效的減少熱效應 的發生。從而使小孔邊緣光滑，內壁無毛刺等殘留。
光路傳輸中光閘4起到雷射通斷的外部控制，不處於加工狀態時可對
雷射進行阻攔，也起到一定的保護作用，防止操作人員受到意外傷害。
擴束鏡5的放大倍率從3 10倍可調，其作用是將雷射光束的直徑擴 大並進行準直，使出射光束的平行度更佳，有利於將光束在後續的系統中 進行聚焦。擴束鏡5的倍率與聚焦光斑的直徑成反比，因此倍率可調能有 效的控制聚焦光斑的直徑與能量大小。
光路校準系統7用於雙光路的光路校準，其原理是使雷射通過處在同 一軸線上相隔一定距離的兩個小孔以確定其傳輸路徑，從而確保光束以最 佳路徑進入螺旋光學加工系統8。
螺旋光學加工系統8出射的光線高速繞自身的軸線旋轉，這樣避免了 因光束本身圓度不佳導致的噴孔圓度下降。光束經聚焦後出射光束沿一圓 錐面對加工材料進行高速環鋸，使噴孔的加工徑深比達到1: 20。在此過 程中，旋轉的速度可以由軟體控制進行實時調節。環鋸圓的直徑即為所需 加工噴孔的直徑，可通過軟體設置其大小，可加工噴孔的最小直徑為60um。 與普通振鏡式雷射鑽孔所鑽出的孔呈錐形相比，螺旋光學加工系統出射的 光束與加工表面的夾角也可由軟體進行控制，從而保證加工出的噴孔為圓 柱型孔。
反射鏡主要起到光路偏轉的作用，反射鏡與反射鏡及反射鏡與擴束鏡 之間的距離沒有特定的限制，但是其位置在機械設計時鏡片的中心儘量保 持水平一致或是垂直一致(圖中光路轉角為直角)，以方便光路的調節。
具體應用時，如
圖1，由皮秒雷射器1輸出脈衝寬度為皮秒 的綠色 532nm波長雷射束，經過第一反射鏡2、第二反射鏡3後，通過光閘4進 入擴束鏡5，經擴束後通過第三反射鏡6進入校準系統7，使光速經過確 定路徑進入螺旋光學加工系統8，最後經螺旋光學加工系統8聚焦於工作平臺9上的噴油嘴，將聚焦點處的材料直接氣化剝除，從而加工出噴孔。
綜上所述，選用532nm、光脈衝寬度達到皮秒級，功率密度達到 1012W/cm2的雷射，可有效減少雷射加工金屬時產生的熱效應。螺旋光學 加工系統不僅使加工噴孔的效率得到顯著提高，同時噴孔直徑的精度、噴 孔形狀以及噴孔的加工深度，也都能得到很好的滿足，其應用前景十分看 好。
需要理解到的是上述說明並非是對本實用新型的限制，在本實用新 型構思範圍內，所進行的添加、變換、替換等，也應屬於本實用新型的保 護範圍。
權利要求1.新型皮秒雷射加工裝置，包括皮秒雷射器、校準系統和螺旋光學加工系統，其特徵在於所述皮秒雷射器的輸出端布置有第一反射鏡，第一反射鏡銜接第二反射鏡，第二反射鏡的輸出端設置光閘，光閘的輸出端連接有擴束鏡，擴束鏡的輸出端銜接有第三反射鏡，第三反射鏡通過校準系統與螺旋光學加工系統相銜接。
2. 根據權利要求1所述的新型皮秒雷射加工裝置，其特徵在於所 述皮秒雷射器輸出的雷射為皮秒級綠色雷射，波長為532nm。
3. 根據權利要求1所述的新型皮秒雷射加工裝置，其特徵在於所 述擴束鏡的放大倍率為3 10倍可調。
專利摘要本實用新型提供一種皮秒雷射加工裝置，包括皮秒雷射器、校準系統和螺旋光學加工系統，皮秒雷射器的輸出端布置有第一反射鏡，第一反射鏡銜接第二反射鏡，第二反射鏡的輸出端設置光閘，光閘的輸出端連接有擴束鏡，擴束鏡的輸出端銜接有第三反射鏡，第三反射鏡通過校準系統與螺旋光學加工系統相銜接。該裝置適用於加工噴油嘴微孔，加工所產生的熱效應小，噴孔邊緣光滑，內壁無毛刺，加工效率及精度高，噴孔直徑大小可調，最小可達60um；形狀可保證為圓柱形，其徑深比可達1∶20，大大提高噴孔加工精度與質量。
文檔編號B23K26/00GK201357287SQ200920036010
公開日2009年12月9日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者趙裕興, 良 郭 申請人:蘇州德龍雷射有限公司