基于高交叠填充的水导激光能量渐变加工质量调控方法

本发明涉及水导激光加工，具体涉及一种基于高交叠填充的水导激光能量渐变加工质量调控方法。

背景技术：

1、镍基高温合金因其在高温条件下良好的强度、耐腐蚀性和抗蠕变疲劳性，被广泛用作航空发动机热端部件的主要材料。为了进一步提高热端部件的使用寿命和性能，通常需要在热端部件上加工出小孔径、高精度的气膜冷却孔，以此来提高其冷却效率。然而目前的气膜冷却孔加工方法如电火花加工、电液束加工、超快激光加工等难以同时满足气膜冷却孔的加工效率与加工质量的需求。

2、其中，电火花加工的热效应明显，难以避免重铸层和微裂纹的出现；电液束加工则存在孔边材料的电解液腐蚀损伤等问题；超快激光加工孔质量高但制孔效率较低。

3、水导激光加工技术作为一种先进的加工技术，其原理是将高能激光束耦合到微细水射流中，并在水射流中通过全反射的方式将激光能量均匀地传输到加工材料表面上，从而形成微米级且工作距离长的加工“刀具”，其具有加工表面损伤小、精度高、重铸层小和加工距离不受激光焦深限制等特点，因此可以很好的满足高温合金气膜冷却孔的加工需求。在现有水导激光加工高温合金工艺中，通常使用无填充扫描加工方式（[1]赵闯, 赵玉刚,赵丹丹, 等. 水射流inconel 718合金沟槽结构的研究[j]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2403-2410.）或低交叠率（交叠率≤50%）填充扫描加工方式（[2]王顺山, 乔红超,曹治赫, 等. 水导激光制备镍基单晶高温合金微孔工艺试验研究[j]. 中国激光, 2024,51(16): 285-294.）进行加工，无法很好地平衡高温合金加工质量与加工效率的需求，因此需要开发一种新的水导激光加工高温合金工艺方法，在保证加工效率的同时提升加工质量。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于高交叠填充的水导激光能量渐变加工质量调控方法，实现在保证水导激光加工高温合金加工效率的同时提升加工质量。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于高交叠填充的水导激光能量渐变加工质量调控方法，包括以下步骤：

4、1)选用镍基高温合金材料作为加工对象，高温合金材料表面平整，无明显缺陷；

5、2)将镍基高温合金材料样品固定在水导激光加工系统的精密运动平台上，调节精密运动平台与镍基高温合金材料样品的相对位置，使样品下表面与水导激光加工头之间的垂直距离在水导激光耦合能束有效加工长度范围内；

6、3)通过控制系统设置水导激光的加工参数，包括激光功率、重复频率、扫描速度、水束压力和扫描次数；

7、4)采用高功率下的高交叠填充扫描加工策略：在水导激光填充扫描加工中选择高激光功率以保证水导激光加工高温合金的加工效率，选择满足能量渐变加工效果的高交叠率填充间距进行参数调控，再选择出最优高交叠率填充间距以提高高温合金的加工质量，最后将所获工艺参数组合转移到水导激光环形填充扫描加工中进行高温合金气膜冷却孔的加工。

8、所述水导激光加工系统使用波长为532 nm、脉宽为190 ns的光纤激光器，用于产生脉冲激光光源，最大平均功率150 w，最大单脉冲能量20 mj，重复频率可调范围6-20khz。

9、加工过程中采用的水源为去离子超纯水，水压可调范围0-50 mpa。

10、采用同轴气体辅助加工，气源为氦气，气压可调范围0-0.7mpa。

11、所述能量渐变加工效果是指在水导激光填充扫描加工中，由于水流对激光能量的吸收作用，通过选择恰当的填充间距实现当水导激光耦合能束扫描靠近壁面的轨迹时，对壁面进行高激光功率加工，保证加工效率；当水导激光耦合能束扫描远离壁面的轨迹时，对壁面进行低激光功率加工，通过修整高激光功率下加工出的壁面，从而保证加工质量。

12、所述高交叠率填充间距是指填充间距小于二分之一的水束直径，满足扫描路径交叠率大于50%。

13、所述步骤4)高功率下的高交叠填充扫描加工策略具体参数是：激光功率40-50w、最优填充间距10 μm、填充道次3道、激光脉宽 200 ns、重复频率 8 khz、水束压力 20 mpa、射流直径 80 μm、扫描速度 0.5-2.0 mm/s。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1)本发明采用水导激光加工技术，能够实现表面损伤小、精度高、重铸层小的高温合金气膜冷却孔的加工。

16、2)通过高功率下的高交叠填充扫描加工策略，选择高激光功率以保证水导激光加工高温合金的加工效率，同时通过参数优化选择出最优的高交叠率填充间距以提高高温合金的加工质量，最终实现在保证高温合金加工效率的同时提升加工质量。

17、3)本发明方法适用于高温合金表面气膜冷却孔的加工，具有广泛的适用性和实用性。

1.一种基于高交叠填充的水导激光能量渐变加工质量调控方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水导激光加工系统使用波长为532nm、脉宽为190 ns的光纤激光器，用于产生脉冲激光光源，最大平均功率150 w，最大单脉冲能量20 mj，重复频率可调范围6-20 khz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：加工过程中采用的水源为去离子超纯水，水压可调范围0-50 mpa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用同轴气体辅助加工，气源为氦气，气压可调范围0-0.7mpa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述能量渐变加工效果是指在水导激光填充扫描加工中，由于水流对激光能量的吸收作用，通过选择填充间距实现当水导激光耦合能束扫描靠近壁面的轨迹时，对壁面进行高激光功率加工，保证加工效率；当水导激光耦合能束扫描远离壁面的轨迹时，对壁面进行低激光功率加工，通过修整高激光功率下加工出的壁面，从而保证加工质量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高交叠率填充间距是指填充间距小于二分之一的水束直径，满足扫描路径交叠率大于50%。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)高功率下的高交叠填充扫描加工策略具体参数是：激光功率40-50 w、最优填充间距10 μm、填充道次3道、激光脉宽 200ns、重复频率 8 khz、水束压力 20 mpa、射流直径 80 μm、扫描速度 0.5-2.0 mm/s。