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专利号: 2019104341760
申请人: 江苏大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 机床;其他类目中不包括的金属加工
更新日期:2025-12-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置,其特征在于,包括振动模块(1)、第一反射平面镜(2)、第一脉冲激光器(4)、第一脉冲激光器控制器(5)、计算机(6)、第二脉冲激光器控制器(7)、第二脉冲激光器(8)、第二反射平面镜(10)、超声探测器(13)和振动模块控制器(17);所述第一反射平面镜(2)位于最上方,其正下方依次为振动模块(1)、工件(12)和第二反射平面镜(10);所述工件(12)设置在夹具(14)上,夹具(14)设置在工作平台(15)上;所述超声探测器(13)置于工件(12)上侧,且不与工件(12)接触;工作平台控制器(16)的一端与工作平台(15)连接,另一端与计算机(6)连接;所述振动模块控制器(17)的一端与振动模块(1)连接,另一端与计算机(6)连接;所述超声探测器(13)与计算机(6)连接;所述第一脉冲激光器(4)、第一反射平面镜(2)和振动模块(1)依次位于同一光路上;所述第一脉冲激光控制器(5)的一端与第一脉冲激光器(4)连接,另一端与计算机(6)连接;所述第二脉冲激光器(8)、第二反射平面镜(10)依次位于同一光路上;所述第二脉冲激光控制器(7)的一端与第二脉冲激光器(8)连接,另一端与计算机(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置,其特征在于,所述振动模块(1)包括基座(18)、导轨(19)、滑动块(20)、压电陶瓷超声振动器(21)和聚焦透镜(22);压电陶瓷超声振动器(21)为中空结构,激光束可从中空结构穿过,其上端面安装在基座(18)上;滑动块(20)可沿导轨(19)上下滑动,且为中空结构,激光束可从中穿过,滑动块(20)上侧安装在压电陶瓷超声振动器(21)的下侧;聚焦透镜(22)安装在滑动块(20)上。

3.根据权利要求1所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置,其特征在于,所述第一脉冲激光器(4)发出的激光经第一扩束器(3)扩束、第二脉冲激光器(8)发出的激光经第二扩束器(9)扩束。

4.根据权利要求3所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置,其特征在于,所述第二反射平面镜(10)与水平方向呈135°;所述第二脉冲激光器(8)发射的激光束依次通过第二扩束器(9)、第二反射平面镜(10)和分束镜(11)作用到工件(12)下表面。

5.根据权利要求3所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置,其特征在于,所述第一反射平面镜(2)与水平方向呈45°;所述第一脉冲激光器(4)发射的激光束依次通过第一扩束器(3)、第一反射平面镜(2)和振动模块(1)聚焦到工件(12)上表面。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法,其特征在于,在第一脉冲激光器(4)对工件(12)加工之前,加工过程中以及加工之后的一段时间,采用第二脉冲激光器(8)作用于工件(12)下表面激发出超声波,超声波产生超声振动辅助激光打孔;采用振动模块(1)产生超声振动,使得第一脉冲激光器(4)输出激光聚焦后的焦点按一定的频率上下振动;此外,采用超声探测器(13)实时探测作用在工件(12)上的超声信号能量,并传回计算机(6);具体包括如下步骤:S1、对工件(12)上下表面进行预处理;

S2、将工件(12)设置在夹具(14)上,夹具(14)设置在工作平台(15)上;

S3、利用工作平台控制器(16)控制移动工作平台(15),从而调整工件(12)的位置,并通过计算机(6)设定工件(12)的所有加工位置;

S4、所有加工位置的加工参数通过计算机(6)和相应的控制器一次全部设置完毕;具体的,通过第一脉冲激光器控制器(5)设定第一脉冲激光器(4)输出用于加工的脉冲激光束的输出参数;通过第二脉冲激光器控制器(7)设定第二脉冲激光器(8)输出用于产生超声振动的脉冲激光束的输出参数;通过振动模块控制器(17)设定振动模块(1)的工作参数;

S5、打开振动模块(1)和超声探测器(13),打开第二脉冲激光器(8)输出激光束作用于工件(12)下表面,作用时间由计算机(6)控制;

S6、作用一段时间后,打开第一脉冲激光器(4)输出脉冲激光束,激光束通过振动模块(1)作用到工件(12)上加工位置,在工件(12)加工区域形成小孔;

S7、小孔加工结束后,关闭第一脉冲激光器(4),间隔一段时间后关闭第二脉冲激光器(8)、振动模块(1)和超声探测器(13);

S8、利用工作平台控制器(16)控制移动工作平台(15)移动到下一个位置;

S9、重复以上步骤S5-S8,对工件(12)下一个位置进行加工,直至所有位置加工结束。

7.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法,其特征在于,所述第一脉冲激光器(4)是为高功率激光器,其输出用于加工的激光功率密度>107 2

W/cm ;第二脉冲激光器(8)输出的激光功率密度值低于被加工工件(12)下表面材料的损伤阈值,被加工工件(12)下表面因吸收激光束辐射能导致材料局部温度上升而不足以使其材料熔化,确保工件(12)下表面完全无损。

8.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法,其特征在于,在实际加工中,可在工件(12)下表面涂各种涂层,用于提高工件下表面吸收系数。

9.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法,其特征在于,第二脉冲激光器(8)作用于工件(12)下表面激发出的超声波频率可达GHz量级。

10.根据权利要求6所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法,其特征在于,振动模块(1)的振动频率大于20kHz,即第一脉冲激光器(4)输出激光聚焦后的焦点上下振动频率大于20kHz。

11.根据权利要求8所述的一种激光超声技术辅助脉冲激光打孔装置的打孔方法,其特征在于,可在工件(12)下表面涂水或者油。