(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210973495.0 (22)申请日 2022.08.15 (71)申请人 山东理工大 学 地址 255086 山东省淄博市高新 技术开发 区高创园A座313室 申请人 江苏大学 (72)发明人 王后孝　汪结涛　李锐　于国强　 (51)Int.Cl. B23K 26/382(2014.01) B23K 26/08(2014.01) B23K 26/12(2014.01) B23K 26/60(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 一种基于惰性气体加热仓内置电场 的激光 打孔装置及方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于惰性气体加热仓内 置电场的激光打孔装置及方法， 这种装置主要包 括激光打孔系统、 惰性气体加热仓、 机床运动系 统、 电场系统和数控系统， 其方法是先将工件置 于惰性气体加热仓中预热， 然后激发惰性气体加 热仓内置电场， 进行激光打孔。 本发明避免了工 件在激光打孔过程中容易产生的氧化反应和氮 化反应， 大幅消减了激光打孔件 上的光致局部温 度梯度及残 余应力， 减弱了光致等离子体对入射 激光的屏障效应以及吸收、 反射、 折射与散射作 用， 改善了激光束的能量密度分布， 增大了入射 激光的有效热输入， 从而同时提升了激光打孔的 质量与效率。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115283859 A 2022.11.04 CN 115283859 A 1.一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔装置， 其特征在于， 包括激光打孔机 床 （1） 、 加热仓门 （2） 、 激光器 （3） 、 密封圈 （4） 、 惰性气体加热仓 （5） 、 机床底座 （6） 、 惰性气体 瓶 （7） 、 气压表 （8） 、 控制面板 （9） 、 可调直流电源 （10） 、 输气管 （11） 及玻璃板 （12） ； 所述机床 底座 （6） 通过地脚螺栓和水平地面固定连接， 所述激光器 （3） 位于机床底座 （6） 的左侧边缘 处， 通过焊接方式与机床底 座 （6） 相连， 旁边有光纤接口， 通过光纤与激光聚焦 装置 （1‑9） 连 接； 所述激光打孔机床 （1） 位于激光器 （3） 的右侧， 可实现X、 Y、 Z三个方向的高精度移位； 所 述惰性气体加热仓 （5） 位于激光打孔机床 （1） 的龙 门立柱之间， 与机床底座 （6） 通过焊接方 式固定连接， 惰性气体加热仓 （5） 与加热仓门 （2） 通过密封圈 （4） 和螺栓密封连接； 加热仓门 （2） 中心嵌有一块玻璃板 （12） ； 所述惰性气体加热仓 （5） 右侧有可调直流电源 （10） ， 通过焊 接方式和机床底座 （6） 相连； 所述惰性气体加热仓 （5） 右侧有输气管 （11） 与之相连， 输气管 （11） 依次和气压表 （8） 、 惰性气体瓶 （7） 相连； 所述机床底座 （6） 右侧边缘有一根圆形立柱， 立柱上安装了整个装置的控制面板 （9） 。 2.根据权利要求1所述一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔装置， 其特征在 于， 所述激光打孔机床 （1） 包括Z向导轨 （1 ‑1） 、 Z向丝杠 （1 ‑2） 、 Y向伺服电机 （1 ‑3） 、 Y向滑块 （1‑4） 、 X向导轨 （1 ‑5） 、 X向丝杠 （1 ‑6） 、 X向伺服电机 （1 ‑7） 、 龙门立柱 （1 ‑8） 、 激光聚焦装置 （1‑9） 、 激光聚焦装置固定滑块 （1 ‑10） 、 Y向导轨 （1 ‑11） 、 Y向丝杠 （1 ‑12） ； 所述激光聚焦装置 （1‑9） 通过激光聚焦装置固定滑块 （1 ‑10） 与激光打孔机床 （1） 相连， 并通过光纤与激光器 （3） 相连发射出高频激光脉冲； 所述激光打孔机床 （1） 为龙门机床结构， 通过X、 Y、 Z三个方向 的丝杠 （1 ‑6） 、 （1‑12） 、 （1‑2） 以及导轨 （1 ‑5） 、 （1‑11） 、 （1‑1） 之间的配合相连， 伺服电机的驱 动可带动激光聚焦装置 （1 ‑9） 实现精密移位。 3.根据权利要求1所述一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔装置， 其特征在 于， 所述惰性气体加热仓 （5） 内有工件水平固定板 （5 ‑1） 、 夹紧垫片 （5 ‑2） 、 电极板 （5 ‑3） 、 加 热装置 （5 ‑4） 、 真空隔热层 （5 ‑5） 、 电极板固定壁 （5 ‑6） 、 工件 （5 ‑7） 及温度传感器 （5 ‑8） ； 所述 电极板 （5 ‑3） 通过螺栓固定在惰性气体加热仓 （5） 内左右两侧 凸起的电极板固定壁 （5 ‑6） 上； 所述惰性气体加热仓 （5） 内下方有加热装置 （5 ‑4） ， 可对工件 （5 ‑7） 预热； 所述惰性气体 加热仓 （5） 的仓体壁较厚， 仓体内壁与外壁在仓体的上端连接在一起， 且仓体内外壁之间有 真空隔热层 （5 ‑5） ； 所述工件水平 固定板 （5 ‑1） 通过焊接方式固连在仓体后壁上； 所述工件 （5‑7） 通过螺栓夹紧固定于工件水平固定板 （5 ‑1） 和夹紧垫片 （5 ‑2） 之间， 所述工件水平固 定板 （5‑1） 的上表面位于两块电极板 （5 ‑3） 中心连线所在的水平面内； 所述温度传感器 （5 ‑ 8） 安装在惰性气体加热仓 （5） 的后壁上， 实时监测仓内的温度变化。 4.根据权利要求1所述一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔装置， 其特征在 于， 所述电极板 （5 ‑3） 与电极板固定壁 （5 ‑6） 之间的连接处装夹了耐高温陶瓷绝缘垫片； 所 述电极板 （5 ‑3） 的规格为尺寸为20cm ×20cm×3mm的高温合金板， 板间距为40cm； 所述可调 直流电源 （10） 产生的电场强度通过调节电压进行调控。 5.根据权利要求1所述一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔装置， 其特征在 于， 控制面板 （9） 可调控激光打孔系统及其加 工参数和加热装置 （5 ‑4） ， 驱动伺服电机对激 光聚焦装置 （1 ‑9） 的移位进行精密调控。 6.根据权利要求1所述一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔装置， 其特征在 于， 所述惰性气体加热仓 （5） 内壁及夹具使用了高温合金铸造而成， 惰性气体加热仓 （5） 的权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115283859 A 2内外壁之间是真空隔热层 （5 ‑5） ， 层厚为5cm； 所述惰性气体加热仓 （5） 底部的加热装置 （5 ‑ 4） 可根据工件材料选取与其匹配的预热温度， 仓内温度通过惰性气体加热仓 （5） 的内置温 度传感器 （5 ‑8） 监测。 7.根据权利要求1所述一种基于惰性气体加热仓内置电场的激光打孔方法， 其特征在 于， 包括以下步骤： 第一步， 将加热仓门 （2） 打开， 把工件 （5 ‑7） 放置于工件水平固定板 （5 ‑1） 和夹紧垫片 （5‑2） 之间， 使用螺栓将工件 （5 ‑7） 固定夹紧， 关闭加热仓门 （2） ， 并使用螺栓紧固加热仓门 （2） ， 完成装夹 工序； 第二步， 打开惰性气体瓶 （7） 的气阀， 向惰性气体加热仓 （5） 内输送惰性气体， 当气压表 （8） 数值达稳定时， 关闭气阀， 通过控制面板 （9） 启动加热装置 （5 ‑4） ， 开启对工件 （5 ‑7） 的预 热工序； 第三步， 通过控制面板 （9） 激活激光器 （3） ， 并操控伺服电机驱动 激光打孔机床 （1） 做三 轴精密移位， 完成对刀工序， 随后开启可调直流电源 （10） 产生电场， 调节电压至所需电场强 度， 当惰性气体加热仓 （5） 内部被加热至预设温度后， 关闭加热装置 （5 ‑4） ， 完成预 热工序； 第四步， 在伺服电机的驱动调控下， 激光聚焦装置固定滑块 （1 ‑10） 带动激光聚焦装置 （1‑9） 对准加工位置并缓慢下移， 完成激光聚焦工序， 随后激活预设激光打孔程序， 完成激 光打孔操作； 第五步， 激光打孔工序结束后， 激光聚焦装置固定滑块 （1 ‑10） 带动激光聚焦装置 （1 ‑9） 缓慢上移， 返回起始对刀位置； 第六步， 关闭激光器 （3） 和可调直流电源 （10） ， 打开加热仓门 （2） ， 从仓内取出工件 （5 ‑ 7） ， 关上加热仓门 （2） ， 将激光打孔机床 （1） 移至起始位置， 切断电源。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115283859 A 3