一种激光加工方法及系统

技术领域

本公开的实施例涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工方法及系统。

背景技术

激光加工技术是一种利用激光束的能量集中度高，精度高，速度快，可控性强以及不受材料局限性等的优势，在金属等各种材料上实施切割，雕刻，焊接以及打孔的加工技术。目前，激光加工技术已经广泛地应用于工业生产中，尤其是飞秒激光加工技术在工业生产中的应用尤为广泛。这是因为飞秒激光加工技术具有脉冲时间短以及峰值功率高的优势，因此加工效率快，材料适应性广，无污染以及工件质量好。

微孔是一种在航空，生物，化工以及新能源等领域中常见的结构。利用飞秒激光加工技术加工微孔是上述领域中常用的加工手段，具体是利用高功率密度的激光束经过聚焦镜汇聚后照射至工件表面，使得工件表面的材料经熔化、气化后进行打孔切割。飞秒激光加工技术由于具有非接触且无需液体酸碱辅助等特点，成为了优选的激光微孔加工的技术之一。

在飞秒激光加工过程中对灰尘和残渣的清理程度的要求特别高，尤其是在激光加工微孔以及大深径比的孔的过程中。若在飞秒激光加工过程中不能够及时地清理灰尘和残渣，会造成激光加工成型的孔径一致性差，孔口尺寸超差以及孔表面粗糙度差等质量问题。因此吹气工艺是激光加工过程中，尤其是激光加工微孔的过程中特别重要的影响因素之一。目前，尽管会设置同轴式的或者旁轴式的气嘴对飞秒激光加工过程中产生的灰尘和残渣进行清理，但是随着加工深度的增加，气嘴与工件之间易发生空间干涉的问题，例如气嘴与工件的表面发生空间碰撞，造成对工件的表面的划伤或者变形等损伤。目前判断气嘴与工件之间是否会发生碰撞或者干涉只能依据理论计算和人眼观察，误差较大。其次，气嘴一般通过人工摆放，导致摆放角度的不固定，不仅易导致气嘴与工件之间产生空间干涉，且由于待加工的孔的形状多，激光加工角度变化大，为了能够使得上述的灰尘和残渣得到清理，需要不断地调整气嘴的吹气角度以使得气嘴吹出的气体能够吹向孔口处，降低了激光加工效率，并且当气嘴的吹气角度调整不合理时，孔口处的灰尘及残渣清理不彻底，影响了孔径的一致性，降低了激光加工质量。

发明内容

有鉴于此，本公开的实施例期望提供一种激光加工方法及系统；能够解决气嘴与工件之间发生的空间干涉问题；并且能够及时且彻底地清理激光加工过程中产生的灰尘和残渣，提高了激光加工效率和激光加工质量。

本公开的实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本公开的实施例提供了一种激光加工方法，所述激光加工方法包括：

通过工件上的待加工的孔的边缘轮廓，确定所述待加工的孔与激光束之间干涉特性；

根据所述待加工的孔与所述激光束之间干涉特性，确定激光加工过程中能够避免吹气部件与工件发生空间干涉的吹气位置。

第二方面，本公开的实施例提供了一种激光加工系统，所述激光加工系统包括可转动的吹气部件以及处理部分；其中，

所述吹气部件，用于向待加工的孔吹送气体；

所述处理部分，用于：

通过工件上的待加工的孔的边缘轮廓，确定所述待加工的孔与激光束之间干涉特性；

根据所述待加工的孔与所述激光束之间干涉特性，确定激光加工过程中能够避免吹气部件与工件发生空间干涉的吹气位置。

本公开的实施例提供了一种激光加工方法及系统；根据工件上的待加工的孔的边缘轮廓确定上述待加工的孔与激光束之间的干涉特性，使得能够根据待加工的孔与激光束之间的干涉特性，调整吹气部件的吹气位置以使得当吹气部件位于该吹气位置时能够避免吹气部件与工件之间发生空间干涉。本公开的实施例提供的激光加工方法在激光束和吹气部件均不与工件发生空间干涉情况下进行激光加工，解决了激光加工过程中由于空间干涉所造成的划痕或者变形等损伤问题。

附图说明

图1为同轴式的气嘴的结构示意图；

图2(a)为一种气嘴与工件之间的干涉状态的示意图；

图2(b)为另一种气嘴与工件之间的干涉状态的示意图；

图2(c)为又一种气嘴与工件之间的干涉状态的示意图；

图3为不同加工深度下气嘴的吹气状态对比示意图；

图4为本公开实施例提供的一种激光加工的方法流程示意图；

图5(a)为本公开一实施例提供的待加工的孔的边缘轮廓的示意图；

图5(b)为本公开另一实施例提供的待加工的孔的边缘轮廓的示意图；

图5(c)为本公开又一实施例提供的待加工的孔的边缘轮廓的示意图；

图5(d)为本公开再一实施例提供的待加工的孔的边缘轮廓的示意图；

图6为本公开实施例提供的待加工的孔与激光束之间的非干涉区域的示意图；

图7为本公开实施例提供的一种激光加工的系统组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

以飞秒激光加工设备中设置有同轴式的气嘴为例来说，如图1示出了同轴式的气嘴10的结构示意图。由图1可知，气嘴10呈圆锥形，套设于聚焦镜20的外侧，使得在飞秒激光加工过程中气嘴10吹送至孔口处的气体与经聚焦镜20汇聚的激光束(图1中的虚线所示)同轴，以在飞秒激光加工过程中气嘴10吹出的气体能够吹向孔口处，从而在最大程度上清理飞秒激光加工过程中产生的灰尘和残渣。

上述的同轴指的是气嘴10吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线为同一轴线。

但是，目前在飞秒激光加工过程中随着孔的加工深度的增加，气嘴10与工件WP之间易发生空间干涉的问题，造成工件WP的表面划伤或者变形等损伤。气嘴10与工件WP之间的干涉状态如图2(a)～2(c)所示。图2(a)示出的干涉状态主要是因为待加工的孔处于大角度的倾斜平面上，使得随着孔的加工深度的增加易造成气嘴10与工件WP发生空间干涉。图2(b)示出的干涉状态主要是因为待加工的孔处于曲面上，使得随着孔的加工深度的增加易造成气嘴10与工件WP之间发生空间干涉。图2(c)示出的干涉状态主要是因为待加工的孔的双壁均为曲面，使得随着孔的加工深度的增加易造成气嘴10与孔的双壁发生了干涉。

对于上述的干涉状态，以激光加工叶片的气膜孔举例来说，由于叶片的曲面形状以及厚度均不规则，并且待加工的气膜孔的角度分布变化很大，因此在激光加工过程中需要不停地转动激光加工头，并且激光加工角度控制难度大控制，在激光加工过程中还需要实时判断气嘴与叶片是不是会发生碰撞等。目前对于气嘴与叶片是否会发生碰撞只能依据理论计算以及在激光加工过程中人眼观察，这种方法不仅误差大且不能够及时发现空间干涉导致叶片受损等问题发生。

另一方面，由于待加工的孔的形状多样化以及激光加工的角度变化频繁，导致在飞秒激光加工过程中气嘴10的吹气位置需要被不断地调整以使得气嘴10吹出的气体能够吹向孔口处。在一些示例中，针对相同的激光加工角度每次气嘴10对应的吹气位置的调整角度也可能会不一样。当气嘴10的吹气位置调整完成并开始激光加工时，随着激光加工设备沿着Z轴的负方向向下运动距离d，气嘴10的出气口101由初始的位置A移动至位置B处，此时气嘴1吹出的气体偏离了孔口，具体如图3所示。由图3可以看出，当激光加工设备沿Z轴的负方向向下运动后，气嘴10吹出的气体并没有吹向孔口，使得孔口处的灰尘和残渣不能够得到及时且彻底地清理，减弱了激光加工过程中的排渣能力。并且当待加工的孔数量很多时，上述的排渣问题会导致激光加工效率下降。

上述的Z轴指的是机床坐标系中Z轴。

此外，对于现有的气嘴10来说，在飞秒激光加工过程中，当激光束(图1中的虚线所示)聚焦到工件WP的表面对材料进行去除时，图1中所示的气嘴10吹出的气体所占用空间范围比激光束所占用的空间范围大，易造成加工空间的浪费。

基于上述阐述，本公开实施例期望提供一种能够根据工件的实际结构准确获得气嘴与工件之间的干涉区域，并通过控制气嘴转动至气嘴与工件之间的非干涉区域来避免在激光加工过程中气嘴损伤工件的技术方案。通过本公开实施例提供的技术方案能够解决现有的气嘴与工件之间发生空间干涉的问题，提高了激光加工质量。

具体地，图4示出了本公开的实施例提供的一种激光加工的方法，该方法包括以下步骤。

在步骤S401中，通过工件上待加工的孔的边缘轮廓，确定所述待加工的孔与激光束之间干涉特性。

示例性地，在本公开的实施例中，上述待加工的孔不局限于微小的孔，也可以包括其他孔径的孔。

上述的干涉特性主要指的是上述待加工的孔与激光束之间是否存在空间干涉，若存在空间干涉，则根据上述待加工的孔的边缘轮廓能够获得上述待加工的孔与激光束之间的干涉区域与非干涉区域。

在步骤S402中，根据所述待加工的孔与所述激光束之间干涉特性，确定激光加工过程中能够避免吹气部件(例如气嘴)与工件发生空间干涉的吹气位置。

示例性地，上述吹气部件吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线为不同的轴线，且上述的吹气部件被配置为能够绕激光束的中心轴线转动。

在本公开的实施例中，由于向上述待加工的孔吹送气体的吹气部件通常是位于激光束的外侧，因此当待加工的孔与激光束之间发生空间干涉时，也就能够认为待加工的孔与上述吹气部件之间产生了空间干涉。在本公开的实施例中，当确定待加工的孔与激光束之间存在空间干涉时，根据上述待加工的孔与上述激光束之间的干涉特性能够及时地调整吹气部件的吹气位置以避免吹气部件对工件造成损伤。

示例性地，本公开的实施例中所述的吹气部件的吹气位置指的是吹气部件的安装位置。

对于图4所示的技术方案，根据工件上的待加工的孔的边缘轮廓，进而根据待加工的孔的边缘轮廓确定上述待加工的孔与激光束之间的干涉特性，使得能够根据待加工的孔与激光束之间的干涉特性，调整吹气部件的吹气位置以使得当吹气部件位于该吹气位置时能够避免吹气部件与工件之间发生空间干涉。本公开的实施例提供的激光加工方法在激光束和气嘴均不与工件发生空间干涉情况下进行激光加工，解决了激光加工过程中由于空间干涉所造成的划痕或者变形等损伤问题。

对于图4所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，上述通过工件上待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔与激光束之间干涉特性，包括：

通过扫描所述工件的表面，获得上述待加工的孔的边缘上的多个采样点的坐标数据；

根据上述多个采样点的坐标数据，通过最小二乘法拟合得到上述待加工的孔的边缘轮廓；

根据上述待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔与激光束之间干涉特性。

示例性地在执行上述步骤之前，工件WP通常已经被放置在了机床上的设定机床坐标位置处，因此上述提及的确定待加工的孔的边缘轮廓的过程或者步骤均是在机床坐标系下执行的。

可以理解地，在执行上述步骤之前还需要将工件WP的三维模型的坐标(x

在一些示例中，当工件到达机床的设定位置后，可以设定一测量光束来模拟激光束。上述测量光束与激光束平行且重合。当然，在具体实施时该测量光束的中心轴线与激光束的中心轴线之间可以呈设定的角度，为了保证测量的准确性该设定的角度可以设置为不大于5°。该测量光束能够绕待加工的孔的中心轴线并按照设定的变化角度转动一周，以对工件的表面进行扫描。需要说明的是，该测量光束扫描一周所形成的轨迹可以被用于表征待加工的孔的边缘轮廓。因此，在测量光束转动一周并扫描工件表面的过程中记录每个变化角度下采样点的坐标数据，例如：当测量光束按照每1°转动扫描时，能够得到360个采样点的坐标数据，即(x

在一些示例中，通过上述采集的多个采样点的坐标数据利用最小二乘法能够拟得到上述待加工的孔的边缘轮廓。具体的拟合计算过程如式(1)所示：

r

其中，r表示拟合的圆形半径，(x

将式(1)展开得到：

r

令：

a＝-2×x

b＝-2×y

c＝x

则有：

x

因此，只要求出式(3)中的参数a、b、c即可求得圆心及半径；其中，

设本公开的实施例中采集得到多个采样点到圆心的距离为l

第i个采样点(x

Δl

令Q(a，b，c)为Δl

Q(a，b，c)＝∑Δl

求解参数a、b、c使得Q(a，b，c)的值为最小值。

由此即可求得x

对于图4所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，所述根据上述待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔与上述激光束之间干涉特性，包括：

根据上述待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔的边缘轮廓中的圆弧段为上述待加工的孔与上述激光束之间的非干涉区域。

如图5(a)所示，当拟合得到的待加工的孔的边缘轮廓为完整的圆形，则说明待加工的孔与激光束之间没有发生空间干涉，且待加工的孔所在的面为平面。如图5(b)所示，当拟合得到的待加工的孔的边缘轮廓为完整的椭圆形，则说明待加工的孔与激光束之间没有发生空间干涉，且待加工的孔所在的面为曲面。如图5(c)和图5(d)所示，当拟合得到的待加工的孔的边缘轮廓为部分圆弧段，则说明待加工的孔与激光束之间存在空间干涉现象，且图5(c)和图5(d)中的虚线段表示干涉区域，圆弧段则表示非干涉区域。上述的完整的圆形或者完整的椭圆形表示所拟合得到的边缘轮廓是连续无间断的。

对于图4所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，上述根据所述待加工的孔与所述激光束之间干涉特性，确定激光加工过程中能够避免吹气部件与工件发生空间干涉的吹气位置，包括：

基于上述待加工的孔与上述激光束之间的非干涉区域，确定上述非干涉区域为上述能够避免吹气部件与工件发生空间干涉的吹气位置。

对于图4所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，所述激光加工方法还包括：

当上述吹气部件的吹气位置没有位于上述非干涉区域时，转动上述吹气部件使得上述吹气部件位于所述非干涉区域。

示例性地，如图6所示，当待加工的孔与激光束之间的非干涉区域对应的是角度为45°至315°之间的钝角所对应的区域(图6中所示的圆弧段对应的区域)。因此为了避免损伤工件，在本公开的实施例中将上述的吹气部件的吹气位置设置为待加工的孔与激光束之间的非干涉区域对应的是角度为45°至315°之间的钝角所对应的区域。也就是说，当吹气部件位于图6所示的角度为45°至315°之间的锐角所对应的区域时表示吹气部件不会与工件发生空间干涉，也就不会损伤工件。在具体实施过程中当吹气部件没有位于上述的非干涉区域时，在激光加工过程中需要转动吹气部件，使得吹气部件位于角度为45°至315°之间的钝角所对应的区域进行吹气。

此外，优选地，通常选择非干涉区域的中间位置为吹气部件的最佳吹气位置。

对于图4所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，所述激光加工方法还包括：

调整上述吹气部件的出气口与上述工件的表面之间的距离以及上述吹气部件吹出的气体的中心轴线与上述激光束的中心轴线的之间的夹角，以使上述吹气部件向上述待加工的孔口处吹气。

在本发明的公开实施例中，在整个激光加工过程中，吹气部件的出气口与工件的表面之间会一直保持设定的吹气距离δ，使得该吹气部件吹出的气体处于超音速状态，提高了激光加工效率。该设定的吹气距离δ通常是根据仿真模拟结果得到的能够清除孔口处灰尘及残渣的最有动力的距离。

在本公开的实施例中，在激光加工开始之前，会调整上述吹气部件的出气口与上述工件的表面之间的距离为设定的吹气距离，以及，调整上述吹气部件吹出的气体的中心轴线与上述激光束的中心轴线的之间的角度为设定的夹角，以使得吹气部件吹出的气体能够吹向孔口处，避免吹气部件吹出的气体偏离孔口处。随着孔的加工深度的增加，吹气部件的出气口与工件的表面之间的距离会发生变化，以及，吹气部件吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线之间的夹角也会发生例如5°至10°的变化，进而造成吹气部件吹出的气体偏离了孔口处，那么在激光加工过程中由于吹气部件吹出的气体并不能够完全地吹向孔口处，也就造成无法将孔口处产生的灰尘与残渣清除。因此在激光加工过程中需要实时控制吹气部件的出气口与工件的表面之间保持设定的吹气距离δ、且使得吹气部件吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线保持设定的夹角，例如7°，以使上述吹出的气体能够一直吹向孔口处，以能够及时且彻底地清除激光加工过程中产生的灰尘与残渣。在激光加工过程中由于材料表面以及孔口处没有灰尘与残渣的堆积，使得聚焦后的激光束的焦点能够持续地处于待加工的孔的中心，保证了每个待加工的孔都是能够在相同的吹气条件下制孔，提高了孔径的一致性。此外，在不降低加工质量的前提下，明显地提高了打孔效率和激光利用率。

另一方面，在激光加工过程中，随着孔的姿态的变化，工件与吹气部件的空间干涉角度以及位置的变化，在具体实施过程中可以不断重复前述技术方案中的各方法步骤以不断调整吹气部件的吹气位置，吹气部件的出气口与工件的表面之间的距离以及吹气部件吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线之间的夹角，以避免在激光加工过程中吹气部件与工件发生空间干涉问题，以及避免在激光加工过程中吹气部件吹出的气体偏离孔口处以影响清出灰尘和残渣的效果。

基于上述阐述，利用本公开的实施例提供的激光加工方法，可以自动获得吹气部件的吹气位置，并且可以保证吹气部件与工件的表面之间的距离固定且吹出的气体不会偏离孔口处，提高了吹气效率，保证了激光加工质量。通过本公开实施例提供的激光加工方法，也解决了现有人工手动摆放吹气部件时所造成的吹气位置以及吹气角度不固定的问题，使得吹气部件的吹气位置的调节精度以准确率提高至50％以上。

图7示出了本公开实施例提供的一种轴激光加工系统7的组成，该加工系统7包括可转动的吹气部件10A以及处理部分30；其中，

上述的吹气部件10A，用于向待加工的孔吹送气体。需要说明的是，吹气部件10A吹出的气体的中心轴线与经上述聚焦镜20聚焦后的激光束的中心轴线为不同的轴线，且上述的吹气部件10A被配置为能够绕激光束的中心轴线转动。

相比于现有的气嘴10的吹气方式以及结构不可变化的特点，本公开实施例提供的吹气部件10A能够根据实际情况转动以避免与工件发生空间干涉。

如图7所示，上述的吹气部件10A可以为可伸缩的圆柱形管。

上述的处理部分30，用于：

通过工件上的待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔与激光束之间干涉特性；

根据上述待加工的孔与上述激光束之间干涉特性，确定激光加工过程中能够避免吹气部件与工件发生空间干涉的吹气位置。

在一些示例中，上述的激光加工系统7还包括测量与采集部分40，该测量与采集部分40，用于通过扫描工件的表面，获得上述待加工的孔的边缘上的多个采样点的坐标数据。

在具体实施过程中，上述的测量与采集部分40可以向工件的表面发射测量光束，以通过测量光束绕待加工的孔的中心轴线(图中的点划线所示)并按照设定的变化角度转动一周后所形成的轨迹来拟合得到待加工的孔的边缘轮廓。

在一些示例中，上述的处理部分30，还用于：

根据上述多个采样点的坐标数据，通过最小二乘法拟合得到上述待加工的孔的边缘轮廓；

根据上述待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔与激光束之间干涉特性。

在一些示例中，上述的处理部分30，还用于：

根据上述待加工的孔的边缘轮廓，确定上述待加工的孔的边缘轮廓中的圆弧段为上述待加工的孔与上述激光束之间的非干涉区域。

在一些示例中，上述的处理部分30，还用于：

基于所述待加工的孔与所述激光束之间的非干涉区域，确定所述非干涉区域为所述能够避免吹气部件与工件发生空间干涉的吹气位置。

在一些示例中，如图7所示，上述的激光加工系统7还包括第一驱动部分50，上述第一驱动部分50用于当上述吹气部件10A的吹气位置没有位于待加工的孔与激光束之间的非干涉区域时，驱动上述吹气部件10A转动以使上述吹气部件10A位于上述的非干涉区域。上述的第一驱动部分50可以为力矩电机。

在具体实施过程中，该激光加工系统7还可以设置有光栅尺60和锥形套70。其中确定吹气部件10A的吹气位置后，力矩电机驱动锥形套70转动以带动吹气部件10A旋转。光栅尺60用于精确地测量锥形套70的转动角度以控制吹气部件10A的转动角度，使得吹气部件10A转动至上述的非干涉区域。

需要说明的是，测量与采集部分40也可以设置在锥形套70上，以在扫描工件的表面的过程中，通过力矩电机驱动锥形套70转动来带动测量与采集部分40的转动。

在一些示例中，如图7所示，上述的激光加工系统7还包括第二驱动部分80，上述第二驱动部分80用于驱动上述吹气部件10A沿靠近或远离上述工件的表面的方向移动，以调整上述吹气部件10A的出气口101A与上述工件的表面之间的距离。上述的第二驱动部分80可以为直线电机。

在具体实施过程中，吹气部件10A如上所述设置为可伸缩式的，那么如图7所示，当直线电机驱动吹气部件10A沿靠近或远离上述工件的表面的方向移动时，吹气部件10A可以沿着自身的导向组件102A移动，以使得在激光加工开始之前或者在激光加工过程中，吹气部件10A与工件的表面之间的距离为设定的距离δ。

在一些示例中，如图7所示，上述激光加工系统7还包括第三驱动部分90，第三驱动部分90用于驱动上述吹气部件10A的端部沿径向方向(图中的虚线箭头所示)移动以调整上述吹气部件10A吹出的气体的中心轴线与上述激光束的中心轴线之间的夹角。

随着孔的加工深度的增加，通常吹气部件10A吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线之间的角度会发生5°至10°变化，导致吹气部件10A吹出的气体偏离了孔口处。此时需要驱动吹气部件10A的端部沿径向方向移动以调整上述吹气部件10A吹出的气体的中心轴线与上述激光束的中心轴线之间的夹角。具体来说，第三驱动部分90可以为径向转动轴90。例如在直线电机带动吹气部件10A沿远离上述工件的表面的方向移动使吹气部件10A的出气口与工件的表面之间距离为δ后，通过径向转动轴驱动吹气部件10A的端部移动以使吹出的气体的中心轴线与激光束的中心轴线始终保持例如7°的夹角，以达到去除灰尘和残渣的最佳吹气状态。

需要说明的是：本公开实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。