一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置及方法与流程

本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置及方法。

背景技术：

激光加工作为一种非接触式的加工发展迅速，已运用在许多行业和加工工艺中，可用作焊接、切割、打孔、刻蚀等等，而激光打孔作为激光加工中的一个重要的方面，由于其加工范围广、加工精度高以及相比传统机械打孔的诸多优势，现如今已经得到了广泛的应用，尤其是在航空航天、医疗器械等精密仪器微孔加工方面更是起到了至关重要的作用。

高功率激光打孔过程中，工件受热融化，工件上方产生高温等离子体，高温等离子体通过吸收、散射和折射作用对激光产生屏蔽效应，不仅会降低激光的利用率，而且还会影响微孔成形，严重时，等离子体的屏蔽会使打孔过程无法进行。而且由于激光具有热效应，在其作用下产生的熔融物易附着在孔壁或堆积在孔口附近，形成重铸层，造成凹凸不平的孔壁形貌，此外还存在熔融物的飞溅、孔内出现微裂纹、孔成鼓形、尺寸精度不稳定等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置及方法，利用外加磁场影响激光打孔过程中的等离子体的运动，同时利用超声波的声空化效应、声流效应和机械效应来辅助激光打孔，实现对激光打孔成孔质量改善和打孔效率提高的目的。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置，包括电源、电路控制器、磁场生成单元、工件装夹单元、磁场旋转单元、超声生成单元、激光发生单元和两个磁场调节单元；

所述工件装夹单元包括水箱和栏框，所述水箱的底部固定于垂直设置的机床主轴上，所述水箱的顶部开口，所述栏框位于水箱内并固定于两个水箱相对的侧壁上，工件固定在栏框中，所述激光发生单元产生的激光正对工件；

所述超声生成单元包括超声振板，所述超声振板安装在水箱内的中心位置；

所述磁场旋转单元包括电动机、齿轮、齿轮圆盘、机床底座，所述齿轮同轴固定安装在电动机的电机轴上，所述齿轮圆盘同轴可转动地安装在机床主轴上，所述齿轮与所述齿轮圆盘啮合；

所述磁场生成单元包括两个电磁铁，两个所述电磁铁正对设置于水箱的两侧，两个所述电磁铁的磁极相异；

两个所述磁场调节单元分布水箱的两侧并关于机床主轴的轴线对称，所述磁场调节单元安装于齿轮圆盘上，磁场调节单元包括电磁铁夹具、导套、连杆、第一滑块、第二滑块；所述第二滑块沿齿轮圆盘的径向与齿轮圆盘滑动连接，且所述第二滑块与齿轮圆盘的相对位置可固定；所述第二滑块的一端内设有圆柱形通孔，所述导套与圆柱形通孔间隙配合，所述导套和第二滑块的侧面均设有若干第二定位孔，通过定位销和第二定位孔调节导套相对于第二滑块的高度，所述电磁铁夹具铰接于导套上；

两个所述电磁铁别安装于两个磁场调节单元上，所述电磁铁的一端固定安装于电磁铁夹具上，电磁铁的另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与第一滑块铰接，所述第一滑块与第二滑块滑动连接并且第一滑块与第二滑块相对位置可固定；

所述电源与所述电路控制器电连接，所述超声振板、电动机、电磁铁均与所述电路控制器电连接，所述电路控制器控制超声振板以产生不同功率的超声波，电路控制器控制电动机的转速以控制齿轮圆盘的转速，电路控制器控制电磁铁以产生不同强度的磁场。

优选地，所述齿轮圆盘的上端面沿径向设有两个相同的第一燕尾形槽口，两个所述第一燕尾形槽口位于同一直线上，分别用于安装两个第二滑块，所述第一燕尾形槽口的底壁上设有若干垂直方向的第一定位孔，所述第二滑块的底端为与所述第一燕尾形槽口相配合的第一燕尾状，所述第二滑块的底端嵌套于第一燕尾形槽口内，并能够沿第一燕尾形槽口滑动，所述第二滑块内设有垂直方向的第一通孔，通过定位销、第一通孔和第一定位孔固定第二滑块与齿轮圆盘的相对位置。

优选地，所述第二滑块的上表面上设有与第一燕尾形槽口平行的第二燕尾槽口，所述第二燕尾形槽口的底壁上设有若干垂直方向的第三定位孔，所述第一滑块的底端为与所述第二燕尾形槽口相配合的第二燕尾状，所述第一滑块的底端嵌套于第二燕尾形槽口内，并能够沿第二燕尾形槽口滑动，所述第一滑块内设有垂直方向的第二通孔，通过定位销、第二通孔和第三定位孔固定第二滑块与第一滑块的相对位置。

优选地，还包括水深检测单元，所述水深检测单元包括用于检测水箱中水位高度的水位传感器，所述水位传感器固定于水箱的内侧壁上，水位传感器与计算机电连接。

优选地，所述齿轮圆盘与机床底座之间设有多个滚珠，所述机床底座的上表面设有以齿轮圆盘的中心为圆心的环形滚道，所述滚珠嵌设于环形滚道内，并随齿轮圆盘的旋转而转动。

优选地，所述激光发生单元包括激光器、聚焦透镜、垂直调整装置和喷嘴，所述激光器产生的激光束经过聚焦透镜产生的光斑作用于工件的待加工处，所述喷嘴用于向工件喷射辅助气体。

优选地，所述水箱的底壁外侧固定有一个圆环形底座，所述圆环形底座套设于机床主轴上，所述圆环形底座和机床主轴上均设有垂直于轴向的第三通孔，通过水箱固定螺栓和第三通孔将水箱固定于机床主轴上。

优选地，所述齿轮圆盘通过轴承同轴安装在机床主轴上，轴承的外圈通过套筒定位。

一种利用上述声-磁耦合能场辅助的激光打孔装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：将按要求加工处理好的工件正确装夹在工件装夹单元上，向水箱中加水，通过水深检测单元控制水深以达到实验要求；

步骤二：按要求安装调整电磁铁的相对位置夹角和相对距离，通过电路控制器设置电动机的转速，启动电路控制器以产生相应的旋转磁场和超声场；

步骤三：启动激光器，通过垂直调整装置调整好激光头与工件之间的距离，再调整将激光束聚焦到工件相应要求位置处，进行激光打孔的同时通过喷嘴向工件吹出辅助气体，使工件在激光、声-磁耦合能场辅助及同轴辅助气体的共同作用下完成激光打孔。

本发明的有益效果：

1.本发明通过外加声-磁耦合能场辅助控制激光打孔过程中因热效应产生的等离子体，减少等离子体对激光的吸收、散射和折射等屏蔽效应，提高激光利用率和打孔效率。

2.本发明通过外加声-磁耦合能场辅助改变打孔过程中的熔融金属的传质和传热过程，改善微孔的成形，提高打孔的质量。

3.本发明中磁场的强度大小可以通过电路控制器调整改变，超声的功率大小可以通过电路控制器调整改变，以研究不同磁场强度及超声功率下的激光打孔成孔的影响，从而达到优化激光打孔相关工艺参数的目的。

4.电动机带动齿轮圆盘从而使整个磁场旋转，在激光打孔过程中对产生的等离子体均匀，从而使成孔的各向组织结构相对均匀一致，提高了成孔的质量。

附图说明

图1为本发明所述一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置的结构示意图一。

图2为本发明所述一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置的结构示意图二；

图3为本发明所述一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置的结构示意图三；

图4是本发明所述机床底座的结构示意图；

图5是本发明所述电磁铁夹具的结构示意图；

图6是本发明所述一种声-磁耦合能场辅助激光打孔方法的原理图；

图中：1、电源，2、电路控制器，3、磁场生成单元，4、工件装夹单元，5、磁场旋转单元，6、超声生成单元，7、水深检测单元，8、磁场高度调节单元，9、超声，10、电动机，11、齿轮，12、齿轮圆盘，13、滚珠，14、水箱，15、水，16、超声波振板，17，盖板，18、激光束，19、聚焦透镜，20、垂直调整装置，21、喷嘴，22、栏框，23、工件，24、电磁铁夹具，25、电磁铁，26、导套，27、连杆，28、第一滑块，29、第二滑块，30、机床底座，31、计算机，32、水位传感器，33、套筒，34、轴承，35、机床主轴，36、水箱固定螺栓，37、等离子体，38、熔融金属，39、磁场。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置，包括电源1、电路控制器2、磁场生成单元3、工件装夹单元4、磁场旋转单元5、超声生成单元6、水深检测单元7、激光发生单元和两个磁场调节单元8。

如图2所示，工件装夹单元4包括水箱14和栏框22，水箱14的底壁外侧中心固定有一个圆环形底座，圆环形底座套设于机床主轴35上，圆环形底座和机床主轴35上均设有垂直于轴向的第三通孔，通过水箱固定螺栓36和第三通孔将水箱14固定于机床主轴35上。水箱14的顶部开口，栏框22位于水箱14内并固定于两个水箱14相对的侧壁上，工件23固定在栏框22中，激光发生单元产生的激光正对工件23。

超声振动生成单元6用于产生超声振动，包括超声振板16，超声振板16安装在水箱14的内部正中间位置处；磁场生成单元3用于产生磁场39，包括两个电磁铁25，两个所述电磁铁25正对设置于水箱14的两侧，两个所述电磁铁25的磁极相异；如图2和图3所示，磁场旋转单元5用于使电磁铁25产生的磁场39旋转，包括两个电动机10、两个齿轮11、齿轮圆盘12、轴承34、机床底座30、滚珠13、套筒33，两个齿轮11分别同轴固定安装在两个电动机10的电机轴上，两个电机轴的转速相同，齿轮圆盘12通过轴承34同轴可转动地安装在机床主轴35上，轴承34的外圈通过套筒33定位，齿轮11与齿轮圆盘12啮合，电动机10驱动齿轮11旋转，齿轮11带动齿轮圆盘12旋转。如图2所示，齿轮圆盘12与机床底座30之间设有多个滚珠13，如图4所示，机床底座30的上表面设有以齿轮圆盘12的中心为圆心的环形滚道，所述滚珠13嵌设于环形滚道内，并随齿轮圆盘12的旋转而转动。

如图2所示，两个磁场调节单元8分布在水箱14的两侧并关于机床主轴35的轴线对称，用于调整两个电磁铁25之间的水平距离、调整电磁铁25与水平线的夹角及调整电磁铁25的高度，磁场调节单元8安装于齿轮圆盘12上，磁场调节单元8包括电磁铁夹具24、导套26、连杆27、第一滑块28、第二滑块29；齿轮圆盘12的上端面沿径向设有两个相同的第一燕尾形槽口，两个第一燕尾形槽口位于同一直线上，分别用于安装两个第二滑块29，第一燕尾形槽口的底壁上设有若干垂直方向的第一定位孔，第二滑块29的底端为与第一燕尾形槽口相配合的第一燕尾状，第二滑块29的底端嵌套于第一燕尾形槽口内，并能够沿第一燕尾形槽口滑动，第二滑块29内设有垂直方向的第一通孔，通过定位销、第一通孔和第一定位孔固定第二滑块29与齿轮圆盘12的相对位置。

第二滑块29的上表面上设有与第一燕尾形槽口平行的第二燕尾槽口，第二燕尾形槽口的底壁上设有若干垂直方向的第三定位孔，第一滑块28的底端为与第二燕尾形槽口配合的第二燕尾状，第一滑块28的底端嵌套于第二燕尾形槽口内，并能够沿第二燕尾形槽口滑动，第一滑块28内设有垂直方向的第二通孔，通过定位销、第二通孔和第三定位孔固定第二滑块29与第一滑块28的相对位置。

第二滑块29的一端的上表面上设有圆柱状凸台，所述圆柱状凸台和第二滑块29内设有贯穿的圆柱形通孔，导套26与圆柱形通孔间隙配合，导套26和第二滑块29的侧面均设有若干第二定位孔，通过定位销和第二定位孔调节导套26相对于第二滑块29的高度，如图2和图5所示，电磁铁夹具24铰接于导套26上。

两个所述电磁铁25分别安装于两个磁场调节单元8上，所述电磁铁25的一端固定安装于电磁铁夹具24上，电磁铁25的另一端与连杆27的一端铰接，连杆27的另一端与第一滑块28铰接。

水深检测单元7包括用于检测水箱14中水位高度的水位传感器32，水位传感器32固定于水箱14的内侧壁上，水位传感器32与计算机31电连接。

如图6所示，激光发生单元包括激光器、聚焦透镜19、垂直调整装置20和喷嘴21，激光器产生的激光束18经过聚焦透镜19产生的光斑作用于工件23的待加工处，所述喷嘴21用于向工件23喷射辅助气体。

电源1与电路控制器2电连接，超声振板16、电动机10、电磁铁25均与电路控制器2电连接，电路控制器2控制超声振板16以产生不同功率的超声9，电路控制器2控制电动机10的转速以控制齿轮圆盘12的转速，电路控制器2控制电磁铁25以产生不同强度的磁场39。

一种声-磁耦合能场辅助的激光打孔装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：将按要求加工处理好的工件23正确装夹在工件装夹单元4上，向水箱14中加水15，通过水深检测单元7控制水深以达到实验要求；

步骤二：按要求安装调整电磁铁25的相对位置夹角和相对距离，通过电路控制器2设置电动机10的转速，启动电路控制器2以产生相应的旋转磁场和超声场；

步骤三：启动激光器，通过垂直调整装置20调整好激光头与工件23之间的距离，再调整将激光束18聚焦到工件23相应要求位置处，进行激光打孔的同时通过喷嘴21向工件23吹出辅助气体，使工件23在激光、声-磁耦合能场辅助及同轴辅助气体的共同作用下完成激光打孔。

本发明所述的一种声-磁耦合能场辅助激光打孔装置的工作原理为：

由于激光打孔时激光功率密度越高，材料加热融化、汽化越剧烈，所产生的蒸汽和等离子体37云也就越稠密，而等离子体37密度越大，对激光辐射能量的屏蔽作用就越大，激光加工的效率就会相应下降，另外，激光打孔通常为热作用过程，激光加工表面残留物的凝固不仅改变了冶金状态，而且还会导致形成重铸层、微裂纹、飞溅沉积物等问题。为了解决这些不足，在激光打孔时加入声-磁耦合能场辅助，能把超声9的高频机械振动和磁场对等离子体37疏散及电磁搅拌作用耦合，通过声-磁耦合能场的辅助作用，有助于减弱等离子体37对激光束的屏蔽效应和散射作用，提高入射激光束的热输入效率，从而增大激光的打孔深度，同时有助于修复孔壁微裂纹。具体为通过加入磁场39去影响激光打孔过程中的等离子体37的运动，在磁场39中，等离子体37的体积会根据磁感应线而变化，在一定磁场强度下，等离子体37随着磁感应线膨胀并移动，在这种情况下，等离子体37的密度将会降低，大大减弱了对激光辐射能量的屏蔽效应，使更多的激光能量被用来去除材料；此外，超声能场作用于工件23，使工件23在垂直方向上也产生高频振动，通过超声9与激光加工的综合作用，可以加速熔融金属38的去除，提高熔渣去除率，减少或避免熔融金属38在孔壁再次凝固形成重铸层，从而有效提高激光打孔效率如增大孔深，改善激光打孔质量如减少打孔缺陷，改善孔壁表面质量，改善微孔周边区域的显微组织及力学性能，并消减激光打孔产生的残余应力。因此，本发明可以明显改善孔壁的表面质量，增加激光打孔的打孔深度，使激光打孔的质量和打孔效率得到有效的提高。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。