[发明专利]一种基于激光能量调控的空腔结构零件打孔背壁防护方法

说明书

本发明公开了一种基于激光能量调控的空腔结构零件打孔背壁防护方法，确定了空腔结构零件背壁材料不发生烧蚀的极限单脉冲能量，通过控制激光打孔过程中激光的单脉冲能量，确保照射到背壁材料的激光能量密度低于材料的烧蚀阈值，实现空腔结构零件激光打孔过程中的背壁防护。整个加工过程无需添加任何保护材料，且工序简单，能够避免材料的浪费，降低生产成本，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于激光能量调控的空腔结构零件打孔背壁防护方法。

背景技术

在工业生产中需要大量空腔结构零件，以航空发动机空心涡轮叶片为例，其工作环境极其恶劣，为了确保其能长期可靠地服役，需要在叶片曲面轮廓上设计并加工出大量的微小孔，以确保由涡轮内部释放的冷空气可以通过微孔在叶片表面形成冷气膜，达到隔离高温气体保护涡轮叶片的目的。

激光加工作为一种非接触式加工手段，被广泛应用于各种零部件的加工中。其中超快激光螺旋打孔方法是加工上述微小孔的一种主要方式。但在应用该方法打孔的过程中，由于微孔的中心点处光斑的重叠率高，激光能量密度集中，使中心点处的材料烧蚀速率远大于边缘处的材料，导致微孔被打通后首先形成锥孔结构，此时到加工完直孔的这一段时间内，激光会直接穿过空腔照射到零件的背壁表面，从而引起背壁材料出现烧蚀坑和微裂纹等不可逆转损伤，影响涡轮叶片的工作性能。

针对此类加工方式中出现的背壁损伤问题，专利CN104801857A公开了一种涡轮叶片激光加工后壁防护的方法，通过在涡轮叶片的空腔中注入冰-碳粉混合物作为防护材料，使辐照到背壁的激光光斑变大，能量密度衰减，避免背壁损伤；美国专利US5222617A描述了一种防止涡轮叶片打孔过程中出现背壁损伤的方法，通过在涡轮叶片空腔中放置陶瓷铸芯以阻挡穿过微孔的激光，使其无法到达背壁材料表面，从而避免背壁损伤。这些方法虽然可以避免加工过程中出现背壁损伤，但由于引入了防护材料，造成材料的浪费和工序的增加，影响加工效率，无法满足批量生产的需求，属于被动防护。

发明内容

本发明的目的是克服被动防护的缺点，解决空腔结构零件打孔过程中如何避免背壁损伤技术问题，本发明提供一种主动防护的方法，无需填充材料，工艺简单且成本较低。本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于激光能量调控的空腔结构零件打孔背壁防护方法，包括以下步骤：

步骤1)根据加工零件的材料属性和打孔要求以及实际加工经验确定加工过程中所使用的激光能量参数，包括激光波长λ、脉冲宽度τ和激光焦点半径ω₀；

步骤2)通过查阅文献和现有的烧蚀阈值测量法获取拟打孔材料在所选取的激光参数下的单脉冲烧蚀阈值

步骤3)利用测量工具量取空腔结构零件前后表面之间的距离h；所述测量工具包括刻度尺和游标卡尺；

步骤4)根据基模高斯光束在自由空间传输时的传输公式,令z＝h,代入可求得照射在背壁材料表面的光斑半径ω(h)；所述公式为：

所述ω(z)为激光光斑半径，ω₀为激光焦点半径，λ为激光波长，z为传输距离；

步骤5)根据材料表面不发生烧蚀时峰值能量密度不超过材料单脉冲烧蚀阈值的1/10，计算再根据能量密度计算公式，计算恰好发生背壁损伤的单脉冲能量极限E_pm；所述能量密度计算公式为：

步骤6)打孔开始前，采用孔穿透检测方法，在空腔中放置光纤和探测器，用于检测孔是否被打通；

步骤7)打孔开始时，采取单脉冲能量E₀对零件进行激光螺旋打孔；