一种实时监测能场强化激光加工微孔的装置的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种实时监测能场强化激光加工微孔的装置。

背景技术

在激光打孔过程中，大致会经历以下四个阶段。首先是材料表面温度升高阶段。在此阶段，激光束被聚焦并照射在材料表面，其中一部分激光由于反射和散射作用而被损耗掉，其余激光则被转化为热能，使材料表面温度在极短时间内急剧升高。随后是材料表面熔化阶段。由于材料表面温度在极短时间内急剧升高，其温度高于材料熔点，这部分材料熔化并发生相变，在材料的表层形成比较浅的熔池。随着时间的进一步延长，被熔化的材料越来越多，熔池深度越来越大，熔池直径也越来越大，从而进入汽化蒸发阶段。当金属熔融物的温度超过材料的沸点时，熔化的金属会汽化并生成金属蒸汽。金属蒸汽从熔池表面向上运动会对熔池中的液体产生向下的冲击力，使熔化的金属从熔池中喷出，从而在金属材料的表面形成一个小坑。金属蒸汽继续吸收激光能量使蒸汽温度持续升高，会生成等离子体云。等离子体云的体积不断膨胀，最终会发生微爆炸，对熔池内的熔融金属产生一个较大的向下冲击力，在冲击力的作用下熔融金属向外部飞溅，使凹坑变大变深。然后，进入蒸发喷射阶段。当熔池内金属熔融物的温度进一步升高时，熔化的金属会大量蒸发，大量的金属蒸汽从熔池表面向上喷射，对熔池内的液态金属产生巨大的反向冲击力，使得液态金属沿着凹坑内壁向外喷射。一部分没有从孔口喷出的液态金属，在温度降低之后，会在孔内壁重新凝固，并附着在孔内壁上，从而形成重铸层。

在激光打孔过程中，微孔熔池流动、熔滴过渡、金属熔喷和飞溅都与打孔质量相关，它们会对微孔的孔径、孔深、圆度、锥度以及重铸层产生影响。然而，在激光打孔过程中会产生带有飞溅和烟尘的刺眼强光，导致难以用肉眼直接观测并分析微孔及其熔池的瞬态行为，也不能实时记录微孔熔池流动、熔滴过渡、金属熔喷及飞溅等实时图像及相关光谱信息，从而难以深入研究激光打孔的物理过程及机理。因此，迫切需要设计发明一种能够实时而有效地对激光打孔的瞬态过程进行便捷而直观的观测、记录和分析的装置。

此外，在激光打孔过程中，激光功率密度越高，材料加热熔化和汽化越剧烈，所产生的蒸汽和等离子体云也就越稠密。而等离子体密度越大，对激光辐射能量的屏蔽作用就越大，激光打孔效率就会相应下降，而且，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、微裂纹和飞溅沉积物等问题。为了解决这些问题，在激光打孔时加入声-磁耦合能场辅助，通过声-磁耦合能场的辅助作用，有助于减弱等离子体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，从而增大激光打孔的深度，同时有助于修复孔壁微裂纹，而且通过超声振动与激光加工的综合作用，可以加速熔渣去除，提高熔渣去除率，减少或避免熔化物在孔壁再次凝固形成重铸层，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，为了深入研究超声能场和磁场对激光打孔过程及机理的影响，同时考虑将其在工程应用中推广使用，有必要对声-磁能场辅助激光打孔新技术的瞬态过程及物理现象进行便捷而直观的实时观测、记录与分析。然而，现有技术中并没有出现能够记录和分析激光打孔的瞬态过程的装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种实时监测能场强化激光加工微孔的装置，能够全方位多角度观测并记录激光打孔过程中微孔熔池流动、熔滴过渡、金属熔喷和飞溅等实时图像及相关光谱信息。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种实时监测能场强化激光加工微孔的装置，包括激光加工中心和实时监测装置，所述激光加工中心包括激光器、光纤导光装置、聚焦装置、机床工作台、机床底座、数控面板、伺服系统、冷却系统和电源箱；

试样工件安装在机床工作台上，所述激光器发出的激光束通过光纤导光装置进入聚焦装置后聚焦于试样工件的待加工表面，所述聚焦装置能够沿z方向移动；

所述实时监测装置包括数据采集单元、数据分析单元和装夹单元，所述数据采集单元包括高速摄像机、辅助光源和光纤探头，所述装夹单元包括挡环、套环、圆形托盘、空心大齿轮、步进电机模块、小齿轮和折板，所述数据分析单元包括光谱仪和数据接收及处理装置；

所述挡环安装于聚焦装置的圆柱状壳体上，所述套环通过支架固定在圆形托盘的上方，套环紧固在聚焦装置的圆柱状壳体上，套环的下表面与挡环的上表面紧密接触，所述圆形托盘的中心设有圆形通孔，所述空心大齿轮和小齿轮均安装于圆形托盘上，所述空心大齿轮的中心圆孔处同轴固定有圆柱状套筒，所述折板与套筒的底端固定连接，折板与套筒对应位置设有通孔，所述折板与圆形托盘的底面之间有间隙，所述高速摄像机固定安装于折板上，聚焦装置的壳体底端穿过空心大齿轮、圆形托盘和折板，所述步进电机模块驱动小齿轮转动，所述小齿轮与空心大齿轮相互啮合，从而驱动空心大齿轮转动，进而使得高速摄像机转动，所述高速摄像机轴线与经过聚焦装置的激光束的轴线相交于试样工件的待加工表面上；所述光纤探头和辅助光源固定安装在折板上，所述光纤探头位于激光打孔区域的正上方，所述辅助光源的轴线与激光束的轴线相交于试样工件的待加工表面，所述光纤探头与所述光谱仪电连接，所述光谱仪和高速摄像机均与数据接收及处理装置电连接。

优选地，还包括安装于机床工作台上的超声辅助单元，所述超声辅助单元包括超声振动平台和超声波发生器，所述超声振动平台包括外壳和设置在外壳内的多个振子，多个所述振子通过振子内接电线依次连接，串联的振子通过振子外接电线与超声波发生器电连接，所述试样工件安装在超声振动平台的上方。

优选地，还包括无盖箱体和试样夹具体，所述无盖箱体安装于机床工作台上，所述试样夹具体安装在无盖箱体的底面内壁上，所述试样夹具体包括支撑块和两个平行设置于支撑块顶端一侧的样品台，所述样品台上设有多个螺纹孔，试样工件的两端分别通过压片安装在两个样品台上，所述压片的两端通过螺栓紧固在样品台上，所述超声辅助单元安装于无盖箱体的底面内壁上并位于两个样品台的下方。

优选地，所述无盖箱体内装有超声波清洗剂，所述超声波清洗剂的液面位于试样工件的上表面和下表面之间。

优选地，还包括安装在机床工作台上的磁场辅助单元，所述磁场辅助单元包括两块相对设置的永磁体以及两个分别用于固定永磁体的磁场夹具，试样工件位于两个永磁体之间。

优选地，还包括安装在无盖箱体内的磁场辅助单元，所述磁场辅助单元包括两块相对安置的永磁体以及两个分别用于固定永磁体的磁场夹具，两个所述永磁体分别位于试样工件的两侧。

优选地，所述磁场夹具包括夹具本体和螺栓，所述夹具本体包括两个横板和一个连接板，两个所述横板相互平行，连接板设置在两个横板的一端，连接两个横板，所述永磁体置于两个横板之间，所述螺栓的一端与永磁体固定连接，另一端穿过连接板，并与连接板螺纹连接，两个横板的另一端设有限制永磁体横向移动至夹具本体外的限位块，所述螺栓将永磁体与限位块紧密贴合。

优选地，所述试样夹具体的两侧均有一个垫块，所述夹具本体的两个横板的底面两端均设有螺柱，所述垫块上设有与螺柱配合的螺纹孔，所述夹具本体通过螺柱安装在垫块上。

优选地，所述套环包括左半套环和右半套环，所述左半套环和右半套环均呈半圆形，在左半套环和右半套环的两侧均设有固定连接端。

本发明的有益效果：

1)本发明在激光加工中心上安装实时监测装置，通过光纤探头和光谱仪分别采集和分析等离子体发出的特征光信号，利用高速相机全方位多角度的拍摄激光打孔过程中微孔及其熔池的瞬态演变及动态行为，通过数据接收及处理装置分析微孔成形过程中的熔池流动、熔滴过渡、金属熔喷及飞溅情况，为深入探究激光打孔物理过程及机理提供便捷而直观的研究途径和佐证依据。

2)本发明高速摄像机装置安装在聚焦装置上，激光打孔时，高速摄像机的轴线与激光束的轴线相交于试样工件的加工位置处，而且，高速摄像机安装固定后，其位置无需再调节，通过步进电机模块驱动齿轮的旋转，由此可以实现通过软件编程的方式调节高速摄像装置的工作方式：既可以通过软件程序调整高速摄像机在空间上的位置，又可以通过事先编好的程序，让高速摄像装置在实际加工过程中以一定的速度转动，拍摄多角度的图像，可以获得清晰的全方位多角度图像。

3)本发明可以通过比较分析不同能场辅助条件下激光打孔时微孔的熔池流动、熔滴过渡、金属熔喷和飞溅等瞬态过程及动态行为，可以进一步分析耦合能场对激光打孔质量及规律的影响，可以直观而便捷的揭示不同能场辅助方法对小孔成形规律及质量的改善情况，为声-磁耦合能场辅助激光打孔的物理过程及瞬态现象分析提供直观而细致的影像数据，并为该新技术的机理研究提供必要的依据。

4)本发明的超声辅助单元和磁场辅助单元都可以独立拆装，研究人员可以根据自己的需求选用所需的辅助能场，而且可以通过调节超声波发生器的电流强度和磁场辅助单元中永磁体的大小来更改辅助能场的强度。

附图说明

图1为本发明所述一种实时监测能场强化激光加工微孔的装置的结构示意图；

图2为本发明所述激光加工中心的结构示意图；

图3为本发明所述聚焦装置的内部光路图；

图4为本发明所述实时监测装置的结构示意图；

图5为本发明所述实时监测装置与外部设备的连接示意图；

图6为本发明所述超声-磁场耦合辅助装置的结构示意图；

图7为本发明所述磁场辅助单元的结构示意图；

图8为本发明所述试样夹具体的结构示意图；

图9为本发明所述超声振动平台与超声波发生装置的连接示意图；

图中：1-激光器、2-光纤导光装置、3-聚焦装置、3.1-扩束器、3.2-反光镜、3.3-垂直调节装置、3.4-聚焦透镜、3.5-保护透镜、3.6-喷嘴、3.7-辅助气体、3.8-焦斑、4-支撑板、5-机床工作台、6-机床底座、7-数控面板、8-实时监测装置、8.1-光谱仪、8.2-数据接收及处理装置、9-超声-磁场辅助装置、10-挡环、11-伺服系统、12-左半套环、13-圆形托盘、14-高速摄像机、15-右半套环、16-空心大齿轮、17-步进电机模块、18-小齿轮、19-辅助光源、20-光纤探头、21-无盖箱体、21.1-试样夹具体、21.2-垫块、21.3-样品台、22-磁场辅助单元、22.1-永磁体、22.2-螺柱、22.3-夹具本体、22.4-螺栓、23-压片、24-试样工件、25-超声辅助单元、25.1-振子内接电线、25.2-振子、25.3-振子外接电线、25.4-超声波发生器、26-折板、26.1-水平板、26.2-第一斜板、26.3-第二斜板，27-冷却系统、28-电源箱。

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，本发明所述的一种实时监测能场强化激光加工微孔的装置，包括激光加工中心、实时监测装置8和超声-磁场辅助装置9。如图2所示，所述激光加工中心包括激光器1、光纤导光装置2、聚焦装置3、机床工作台5、机床底座6、数控面板7、伺服系统11、冷却系统27和电源箱28，机床工作台5固连在机床底座6上，其上安装有支撑板4，超声-磁场辅助装置9通过螺栓安装在支撑板4上。通过数控面板7控制机床的伺服系统11，可以驱使机床工作台5运动，进而使固定在支撑板4上的超声-磁场辅助装置9能够在x、y方向上移动以及在b、c方向上转动，试样工件24安装于超声-磁场辅助装置9上。冷却系统27位于机床背面，用于散热。电源箱28在机床背面并位于冷却系统27的下方，用于给整个激光加工中心供电。

如图3所示，聚焦装置3包括扩束器3.1、反光镜3.2、垂直调节装置3.3、聚焦透镜3.4、保护透镜3.5、喷嘴3.6和辅助气体3.7；激光器1产生的激光束，通过光纤导光装置2进入扩束器3.1，经过反光镜3.2反射后，通过聚焦透镜3.4和保护透镜3.5，从而形成焦斑3.8并辐照在试样工件24的待加工表面，喷嘴3.6用于向试样工件24喷射辅助气体3.7，聚焦装置3能够沿z方向移动。

如图4和图5所示，实时监测装置8包括挡环10、套环、圆形托盘13、高速摄像机14、空心大齿轮16、步进电机模块17、小齿轮18、辅助光源19、光纤探头20、折板26、光谱仪8.1和数据接收及处理装置8.2。挡环10固定在聚焦装置3的圆柱状壳体上，为实时监测装置8提供定位功能。套环通过支架固定在圆形托盘13的上方，套环包括左半套环12和右半套环15，所述左半套环12和右半套环15均呈半圆形，在左半套环12和右半套环15的两侧均设有固定连接端。左半套环12和右半套环15通过两侧的固定连接端固定于聚焦装置3的圆柱状壳体上，左半套环12和右半套环15与挡环10的上表面紧密接触。

圆形托盘13的中心设有圆形通孔，所述空心大齿轮16和小齿轮18均安装于圆形托盘13上，空心大齿轮16与圆形托盘13同轴，空心大齿轮16的中心圆孔处同轴固定有圆柱状套筒，使得空心大齿轮16的横截面为l形，折板26包括水平板26.1、第一斜板26.2和第二斜板26.3，第一斜板和第二斜板均位于水平板的下方，第一斜板的一端与水平板的一端固定连接，第二斜板的一端与水平板的下表面固定连接，水平板的上表面与套筒的底端固定连接，水平板与套筒对应位置设有通孔，并且水平板与圆形托盘13的底面之间有间隙，高速摄像机14固定安装于第一斜板上。聚焦装置3的壳体底端穿过空心大齿轮16、圆形托盘3和折板26。

小齿轮18由步进电机模块17驱动，所述小齿轮18与空心大齿轮16相互啮合，从而驱动空心大齿轮16转动，进而使得高速摄像机14转动，所述高速摄像机14的轴线与经过聚焦装置3的激光束的轴线相交于试样工件24的待加工表面上，通过软件编程的方式调节高速摄像机14的位置从而可以获得清晰的全方位多角度图像。所述光纤探头20和辅助光源19固定安装在第二斜板上，所述光纤探头20位于激光打孔区域的正上方，便于采集等离子体发出的特征光信号。所述辅助光源19的轴线与激光束的轴线相交于试样工件24的待加工表面，为高速摄像机14摄录微孔加工的瞬态现象及过程提供光源。所述光纤探头20与所述光谱仪8.1点连接，所述光谱仪8.1和高速摄像机14均与数据接收及处理装置8.2电连接。

如图6所示，超声-磁场耦合辅助装置9包括无盖箱体21、试样夹具体21.1、超声辅助单元25和磁场辅助单元22，机床工作台5上安装有支撑板4，无盖箱体21为无盖长方体容器，通过螺栓安装在支撑板4上，如图8所示，试样夹具体21.1安装在无盖箱体21的底面内壁上，试样夹具体21.1包括支撑块和两个平行设置于支撑块顶端一侧的样品台21.3，所述样品台21.3上设有多个螺纹孔，试样工件24的两端分别通过压片23安装在两个样品台21.3上，所述压片23的两端通过螺钉紧固在样品台21.3上。超声辅助单元25安装于无盖箱体21的底面内壁上并位于两个样品台21.3的下方，两者不接触，产生的超声振动通过液体介质以垂直于试样工件24加工表面的方向作用于试样工件24。试样工件24位于超声振动平台的上方，同时也在两侧磁场辅助单元22的磁极之间；

无盖箱体21内装有超声波清洗剂，所述超声波清洗剂的液面位于试样工件24的上表面和下表面之间。超声波清洗剂在超声传递的同时，可以有效避免液体介质进入微孔内部。

如图6和9所示，超声辅助单元25包括超声振动平台和超声波发生器25.4，所述超声振动平台包括外壳和设置在外壳内的多个振子25.2，多个所述振子25.2通过振子内接电线25.1依次连接，串联的振子25.2通过振子外接电线25.3与超声波发生器25.4电连接。

如图6和7所示，磁场辅助单元22包括两块相对设置的永磁体22.1以及两个分别用于固定永磁体22.1的磁场夹具，磁场夹具包括夹具本体22.3和螺栓22.4，所述夹具本体22.3包括两个横板和一个连接板，两个所述横板相互平行，连接板设置在两个横板的一端，连接两个横板，所述永磁体22.1置于两个横板之间，所述螺栓22.4的一端与永磁体22.1固定连接，另一端穿过连接板，并与连接板螺纹连接，两个横板的另一端设有限制永磁体22.1横向移动至夹具本体22.3外的限位块，永磁体22.1为长75mm、宽20mm的标准件，在实际使用中根据所需磁场强度的大小选定永磁体22.1的厚度，通过螺栓22.4将永磁体22.1与限位块紧密贴合以夹紧固定永磁体22.1。无盖箱体21内设有垫块21.2，分别位于试样夹具体21.1的两侧，夹具本体22.3的两个横板的底面两端均设有螺柱22.2，垫块21.2上设有与螺柱22.2配合的螺纹孔，所述夹具本体22.3通过螺柱22.2安装在垫块21.2上，通过改变螺柱22.2的长度可以调节磁场辅助单元22在z轴方向上的位置。

本发明的工作过程：激光器1产生的激光束通过光纤导光装置2进入聚焦装置3中，形成焦斑3.8照射于超声-磁场辅助装置9中的试样工件24的相应加工位置，试样工件24加工表面的温度急剧升高，在试样工件24的加工位置处形成熔池，进而形成微孔。

超声波发生器25.4控制超声振动平台工作，产生的超声振动通过无盖箱体21中的超声波清洗剂传递到试样工件24上，超声振动的方向与试样工件24加工表面垂直且与激光束的方向平行。通过超声振动，加速了试样工件24在激光加工过程中熔融金属的排出，减少或避免了熔融金属在孔壁的再次凝固，从而有助于提高打孔深度和孔口直径。

两块相对安置的永磁体22.1会产生单向稳磁场，试样工件24位于单向稳磁场中。在激光打孔过程中，激光束照射在试样工件24上，会形成等离子体。等离子体是一种由电子、离子和中性粒子组成的电离气体，在外加磁场的作用下，随着单向稳磁场磁感应线的膨胀，光致等离子体的分布及形态会发生改变。在此情况下，光致等离子体的密度会减小，可以有效减弱等离子体对入射激光束的屏蔽效应，使更多的激光能量被用来去除材料，从而增大打孔深度，提高打孔效率。

高速摄像机14的轴线与激光束的轴线相交于试样工件24上的加工位置，此处同时被辅助光源19照射。借助辅助光源19的光亮，高速摄像机14对准试样工件24上的加工位置，对激光加工微孔过程中的熔池流动、熔滴过渡、金属熔喷和飞溅等瞬态现象进行摄录，通过数据线传输到数据接收及处理装置8.2中。光纤探头20位于激光打孔区域的正上方，用于采集等离子体发出的特征光信号。激光打孔过程中会产生光致等离子体，这些等离子体发出的特征光信号的光强与蒸发的原子数成正比。因此，可以利用光纤探头20采集等离子体发出的具有一定光强的特征光信号，通过数据线传递给光谱仪8.1，通过光谱仪8.1对成孔情况进行评估，并通过数据线把评估结果传输到数据接收及处理装置8.2中。

在加工过程中，激光加工中心通过冷却系统27散热。

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。