專利名稱：利用可變傾角的激光加工方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種激光加工方法，尤其涉及一種利用可變傾角的激光加工方法。
背景技術：
當執(zhí)行激光加工操作時，操作者通常使激光繞聚焦透鏡的中心軸線旋轉(zhuǎn)以限定形 成想要得到的孔的邊緣。為了在激光所鉆的孔的側(cè)面產(chǎn)生錐度，激光束不直接通過聚焦透 鏡的中心。代替地，激光束與透鏡的中心軸線平行但不共線地進入透鏡。透鏡使激光束轉(zhuǎn) 向，使激光束相對于透鏡的中心軸線成角度地到達工件。該角度被稱為傾角，取決于透鏡的 幾何條件和激光束與透鏡的中心軸線之間的距離。改變激光束與中心軸線之間的距離會改 變該傾角。不過，在傳統(tǒng)的激光加工過程中，激光束保持與中心軸線的恒定距離，產(chǎn)生了恒 定的傾角。 保持恒定傾角的傳統(tǒng)激光加工技術常常導致工件中產(chǎn)生不必要的缺陷。例如，由 于傾角，可以在孔壁中形成沉割。當孔被用作流體通道時，這些沉割可能會導致不穩(wěn)定的流 動。普通的激光加工技術遭遇的另一個問題是隨著激光切過工件形成的材料云(材料渾 濁)。這些材料云降低了激光的功率密度并產(chǎn)生等離子體熔蝕作用，導致不希望的熱聚積和 材料熔融，這反過來影響材料的表面特性，降低了孔的尺寸的精度并縮減了疲勞壽命。
在授予Durheim的美國專利No. 6，070，813(' 813專利)中描述了一種減少經(jīng)激 光加工的工件中的缺陷數(shù)量的方法。具體地，'813專利公開了一種形成噴嘴的方法。該方 法包括使激光束這樣聚焦，以使得它的焦點定位于噴嘴頂端部的外表面上達第一時間段。 在第一時間段期間，產(chǎn)生了通道并且在該通道的外圍沉積了廢棄產(chǎn)物。該方法還包括使激 光束這樣重新聚焦，以使得它的焦點定位于噴嘴頂端部的外表面的上方達第二時間段的步 驟。在第二時間段期間，激光分解廢棄產(chǎn)物。 盡管'813專利中公開的激光加工方法可以減少噴嘴中的由于廢棄產(chǎn)物沉積而導 致的缺陷，但該方法不能良好地適用于所有應用。特別是，'813專利的方法不能減少孔壁 中的沉割或材料云的形成。 本公開的激光加工方法的目的在于克服以上闡述的一個或多個缺點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及一種激光加工的方法。該方法可包括將光學裝置發(fā)出的激
光束以一傾角引導至工件上以在該工件中產(chǎn)生切口，以及改變激光束的傾角。 本發(fā)明的另一個方面涉及另一種激光加工的方法。該方法可包括將激光束以一傾
角引導于工件處，在工件中引起等離子體熔蝕，以及在工件中引起熔融材料的形成。該方法
還可包括改變傾角以減少熔融材料所形成的材料云的數(shù)量。 本發(fā)明的另一個方面涉及一種形成錐形孔的方法。該方法可包括在工件中形成輔 助孔，將激光束以一傾角引導至工件處以在該工件中產(chǎn)生切口以及在工件中繼續(xù)產(chǎn)生切口
3的同時改變激光束的傾角。
圖1是本公開的激光加工方法的圖示。
具體實施例方式
圖1示出激光在工件11中加工錐形孔10的示例性方法。該方法可包括光學裝置 12的使用，該光學裝置包括激光器和透鏡(未示出)。光學裝置可產(chǎn)生被引導至工件11上 的激光束14。 在激光加工錐形孔10之前，可在工件11中形成輔助孔18。輔助孔18可以形成在 想要得到的錐形孔10的界限以內(nèi)。例如，輔助孔18的直徑可以是想要得到的錐形孔10的 直徑的大約百分之十。還可以考慮，輔助孔18的直徑可以基于錐形孔10的預期深度來決 定。 為了在工件11內(nèi)形成錐形孔IO，激光束14可以在與光學裝置12的中心軸線20 不共線的方向上被引導至工件11上。光學裝置12可以使激光束14轉(zhuǎn)向，使得光束14相 對于中心軸線20和工件11成角度e地到達工件ll。該角度被稱為傾角。該傾角可以是 包含在光學裝置12內(nèi)的透鏡的幾何條件的函數(shù)。光學裝置12能夠改變所發(fā)出的光束的傾 角9。例如，圖l示出分別以兩個不同的角度，9工和92，被引導的光束14a和14b。光束 14可以繞中心軸線20旋轉(zhuǎn)，如箭頭22所示。
工業(yè)適用性 本公開的利用可變傾角的激光加工方法可以應用到各種各樣的部件，包括，例如， 燃料噴射器噴嘴。還可以考慮，本公開的方法也可以應用來激光加工除錐形孔以外的特征， 例如，沿著工件邊緣的直切?，F(xiàn)在要詳細說明一種示例性的利用可變傾角的激光加工方法。
參考圖l，可以沿著想要得到的錐形孔10的軸線在工件11內(nèi)鉆輔助孔1。輔助孔 18的直徑可以取決于想要得到的錐形孔10的深度和直徑。例如，輔助孔18的直徑可以為 錐形孔10的預期最終直徑的大約百分之十。輔助孔18可以通過激光鉆孔或其它鉆孔裝置 形成。 光學裝置12可以將光束14a以傾角e工引導至工件11上，光學裝置12可以使光 束14繞軸線20旋轉(zhuǎn)，如箭頭22所示。旋轉(zhuǎn)的光束14可包括等離子體熔蝕，使得在工件11 內(nèi)形成孔。光束14還可以引起由工件11的熔融材料形成的材料云的形成。該材料可流過 輔助孔18. 隨著由光束14形成的孔的深度增大，理想的是改變由光學裝置12發(fā)出的光束的 傾角以避免在錐形孔IO的側(cè)壁中形成沉割。例如，光學裝置12可以被控制成這樣引導光 束14b以使其具有傾角92，其中傾角92大于傾角e1() 改變傾角e的方式的確定可能需要迭代過程(iterative process)，并可以取決 于工件11的幾何條件和材料特性、光學裝置12的結(jié)構(gòu)、光學裝置12相對于工件11的位置 以及錐形孔10的預期幾何條件?？梢钥紤]，具有變化的錐度的孔可以通過改變傾角9來
實現(xiàn)，并且改變傾角e可以包括增大和減小e 。一旦對于特定的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定了最佳的一 組傾角變化，那么同一組傾角變化可以應用到類似的工件。例如，在裝配線上由激光加工的
4所有工件可以要求一組標準的傾角變化。 本公開的方法可以產(chǎn)生尺寸精度增大而沒有不希望的沉割的激光加工特征。此 外，本公開的方法的輔助孔可以使等離子體和其它不希望的材料云排出而不會影響錐形孔 的幾何條件，也不會引起工件表面的材料特性中的不希望的變化。 本領域技術人員將能明白，可以對本公開的利用可變傾角的激光加工方法進行各 種修改和變型。通過仔細研究說明書以及實施所公開的方法，其它實施方式對本領域技術 人員而言是顯而易見的。本說明書及所述示例僅用于示例目的，而本發(fā)明的真實范圍由所 附權利要求及其等同方案表示。
權利要求
一種激光加工方法，包括將光學裝置(12)發(fā)出的激光束(14)以第一傾角(θ)引導至工件(11)上以便在所述工件中產(chǎn)生切口(10)；以及改變所述激光束的所述傾角。
2. 根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于，還包括使所述激光束繞所述光學裝置的中心軸線(20)旋轉(zhuǎn)。
3. 根據(jù)權利要求l的方法，其特征在于，引導所述激光束的步驟包括通過所述光學裝 置引導所述激光束偏移所述光學裝置的中心軸線成一角度，和改變所述激光束的所述傾角 的步驟包括改變所述激光束相對于所述中心軸線的角度。
4. 根據(jù)權利要求l的方法，其特征在于，改變所述傾角的步驟包括隨著所述切口的深 度增大而增大所述傾角，和改變所述傾角的步驟是基于所述工件的幾何條件、所述工件的 材料特性、所述光學裝置的結(jié)構(gòu)、所述光學裝置相對于所述工件的位置或者所述工件中的 所述切口的預期幾何條件中的至少一個。
5. 根據(jù)權利要求l的方法，其特征在于，還包括在所述工件中形成輔助孔(20)。
6. 根據(jù)權利要求6的方法，其特征在于，將所述激光束引導至所述工件上的步驟包括 使所述工件的至少一部分形成熔融材料，和該方法還包括使得所述熔融材料流過所述輔助 孔。
7. —種激光加工方法，包括將激光束(14)以第一傾角(9 )引導至工件(11)處； 在所述工件中引起等離子體熔蝕； 在所述工件中引起熔融材料的形成；以及 改變所述傾角以減少由所述熔融材料形成的材料云的數(shù)量。
8. 根據(jù)權利要求7的方法，其特征在于，還包括鉆輔助孔(18)和使得所述熔融材料流 過所述輔助孔。
9. 根據(jù)權利要求7的方法，其特征在于，還包括使所述激光束旋轉(zhuǎn)。
10. 根據(jù)權利要求7的方法，其特征在于，還包括使所述激光束旋轉(zhuǎn)，和改變所述傾角 的步驟包括隨著所述工件中的切口的深度增大而增大所述傾角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光加工方法。該激光加工方法可以包括將光學裝置(12)發(fā)出的激光束(14)以第一傾角(θ)引導至工件(11)上以在該工件中產(chǎn)生切口(10)，以及改變該激光束的傾角。
文檔編號B23K26/38GK101778693SQ200880103183
公開日2010年7月14日 申請日期2008年8月15日 優(yōu)先權日2007年8月15日
發(fā)明者C·C·黃, 胡兆力 申請人:卡特彼勒公司