一种基于双螺旋扫描策略的阶梯盲孔激光加工方法及系统

本发明属于激光加工，特别是一种基于双螺旋扫描策略的阶梯盲孔激光加工方法及系统。

背景技术：

1、长期服役于极端工况的碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced polymer/plastic，cfrp）构件不可避免地会出现裂纹、分层、凹坑等缺陷。为实现cfrp构件损伤区域修复，目前采取的方案是通过在cfrp构件上逐层挖除损伤区域，以获得可粘接的多层阶梯盲孔结构，并进一步填补、固化盲孔区域[s.e. fujimoto, h. sekine, identificationof crack and disbond fronts in repaired aircraft structural panels withbonded frp composite patches, compos. struct. 77(4) (2007) 533–545.]。

2、因此，阶梯盲孔的高精确度等深加工是精准去除构件损伤区域，并进行高性能修复的关键。

3、目前已有通过控制激光沿同心圆轨迹进行扫描，以在cfrp构件上制备盲孔的方案，但由于同心圆路径不连续，因此在高速扫描过程中激光光斑需要频繁跳转，无法保证多层阶梯孔加工深度的一致性，同时，当阶梯盲孔每层台阶的直径从上至下逐步减小时，由于同心圆扫描路径在扫描间距确定后，其轨迹恒定，随着加工深度增加，工件上可供激光束射入的入口逐步减小，激光束沿同心圆轨迹扫描时的激光束能量无法有效作用至底部的工件表面上，因此导致底部材料残余较多，使得最终形成的盲孔无法满足质量要求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种基于双螺旋扫描策略的阶梯盲孔激光加工方法及系统，其基于独特的双螺旋扫描策略进行扫描时，可基于双螺旋扫描轨迹特性有效提高扫描效率与激光加工质量。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一方面，提供了一种基于双螺旋扫描策略的阶梯盲孔激光加工方法，其包括如下步骤：

4、如图2-3所示，通过调节激光束的焦平面位置，使得激光束依次作用于同一待加工工件100的k个加工平面上（k≥3，且为正整数），且在激光束作用于当前加工平面上后，控制激光束按照与当前加工平面对应的双螺旋扫描轨迹，在当前加工平面上进行扫描，以在当前加工平面上形成阶梯盲孔的台阶；

5、其中，k个加工平面在待加工工件100的高度方向（即z向）上分布，且均为垂直于z向的且相互平行的xy平面，同时，所述双螺旋扫描轨迹同样有k个，每一加工平面均仅有与其唯一对应的一个双螺旋扫描轨迹200。

6、优选的，如图2所示，每一加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200均为类似于费马螺线的轨迹，均包括：

7、关于原点o中心对称的第一螺旋线s1、第二螺旋线s2，且第一螺旋线s1、第二螺旋线s2的起点均与原点o重合，即第一螺旋线s1、第二螺旋线s2在原点o处相交；

8、以及，第一螺旋线s1、第二螺旋线s2的旋转方向相同（如均为顺时针或逆时针方向），且相邻两圈螺旋线之间的螺距d均相同。

9、优选的，每一加工平面对应的双螺旋扫描轨迹的螺距d均相同，由于螺距d过小会导致扫描时间过长、材料热输入过大，螺距d过大会导致材料去除率过低，表面会有材料残留，使得盲孔质量不符合要求，因此为同时兼顾加工质量及加工效率，本发明中螺距d的取值范围为0.04mm-0.12mm（优选为0.08mm）。

10、优选的，与第t个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的最大半径rt大于与第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹的最大半径rt+1，所述双螺旋扫描轨迹200的最大半径r是指最外圈螺旋线的半径，t=1,2,3...,k-1，第t个加工平面、第t+1个加工平面为高度方向上相邻的两个加工平面，且第t个加工平面在第t+1个加工平面上方。

11、优选的，在第t个加工平面上的扫描次数小于在第t+1个加工平面上的扫描次数。

12、优选的，激光束在第t个加工平面上，按照第一扫描方式进行扫描，在第t+1个加工平面上，按照第二扫描方式进行扫描；

13、其中，第一扫描方式为：激光束从第t个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的原点o开始，沿第一螺旋线s1移动至第一螺旋线s1的终点s11，以及，激光束从第t个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的原点o开始，沿第二螺旋线s2移动至第二螺旋线s2的终点s21；

14、第二扫描方式为：激光束从第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的第一螺旋线s1的终点s11开始，沿第一螺旋线s1移动至原点o，以及，激光束从第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的第二螺旋线s2的终点s21开始，沿第二螺旋线s2移动至原点o；

15、或，第一扫描方式为：激光束从第t个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的第一螺旋线s1的终点s11开始，沿第一螺旋线s1移动至原点o，以及，激光束从第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的第二螺旋线s2的终点s21开始，沿第二螺旋线s2移动至原点o；

16、第二扫描方式为：激光束从第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的原点o开始，沿第一螺旋线s1移动至第一螺旋线s1的终点s11，以及，激光束从第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹200的原点o开始，沿第二螺旋线s2移动至第二螺旋线s2的终点s21。

17、优选的，控制激光束按照与当前加工平面对应的双螺旋扫描轨迹，在当前加工平面上进行扫描，包括如下步骤：

18、激光束每按照与当前加工平面对应的双螺旋扫描轨迹完成1次扫描，则控制焦平面沿z方向下降高度h。

19、另一方面，还提供一种阶梯盲孔激光加工系统，其包括：

20、工控机；

21、沿激光束光路依次设置的激光器、反射镜、扩束镜、动态聚焦单元、扫描振镜和聚焦场镜；所述工控机连接激光器、扫描振镜以及动态聚焦单元，用于控制激光器输出激光束、控制扫描振镜的偏转运动以及控制动态聚焦单元动作；

22、以及，烟气收集装置。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

24、按照本发明中的双螺旋扫描策略进行扫描时，可基于双螺旋扫描轨迹连续、平滑的特性，避免激光器出光时间早于或晚于振镜扫描时间而导致的材料过加工或未加工现象，同时，在单次扫描过程中避免激光光斑频繁跳转，可有效缓解高速扫描过程中镜振扫描失真问题，可有效提高扫描效率与激光加工精度；

25、同时，本发明利于双螺旋扫描轨迹的变曲率特性，并采用从上至下双螺旋扫描轨迹最大半径逐步减小、扫描次数逐步增加的策略，可有效去除工件材料，避免材料残留，可在确保加工质量的同时大幅提高加工效率。

1.一种基于双螺旋扫描策略的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，每一加工平面对应的双螺旋扫描轨迹均包括：

3.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，每一加工平面对应的双螺旋扫描轨迹的螺距d均相同。

4.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，螺距d的取值范围为0.04mm-0.12mm。

5.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，与第t个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹的最大半径rt大于与第t+1个加工平面对应的双螺旋扫描轨迹的最大半径rt+1。

6.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，在第t个加工平面上的扫描次数小于在第t+1个加工平面上的扫描次数。

7.如权利要求2所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，激光束在第t个加工平面上，按照第一扫描方式进行扫描，在第t+1个加工平面上，按照第二扫描方式进行扫描；

8.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，控制激光束按照与当前加工平面对应的双螺旋扫描轨迹，在当前加工平面上进行扫描，包括如下步骤：

9.如权利要求1所述的阶梯盲孔激光加工方法，其特征在于，所述待加工工件包括碳纤维复合材料。

10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述阶梯盲孔激光加工方法的阶梯盲孔激光加工系统，其特征在于，包括：