一种水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置及方法与流程

本发明涉及激光加工技术，特别涉及一种水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置及方法。

背景技术：

激光加工技术是利用激光与物质间的热效应，对材料进行切割、焊接、打孔，表面强化等的一门加工技术。它具有质量高、生产效率高、可在恶劣环境下加工等特点。激光加工作为一门先进制造技术在汽车制造、电子产品生产、航空航天等各大领域中发挥着愈发重要的作用。

对比传统加工技术，激光加工技术主要有如下优势：第一，可加工材料自由度大，不受材料的机械性能如硬度、强度脆性、刚性等限制，对于金属与非金属材料均适用；第二，激光加工属于非接触式加工，这不仅减小了机械惯性和变形，提高了加工精度和正品率，还不会产生工具磨损和钻头易断的问题；第三，激光加工效率高，速度快经济效益好，在全球范围内，用途广泛。

然而，激光加工技术属于热加工技术，在激光打孔或切割的零件加工过程中，加工表面容易形成重铸层，产生微裂纹、气孔、组织混乱等缺陷，并且零件中残余应力较大，这些因素严重影响着成形零件的性能。而微观缺陷、组织状态、残余应力等是导致成形零件性能较差的主要原因，这些问题会导致零件使用寿命降低，进而严重影响零件使用的稳定性。因此有必要采取一定的措施细化晶粒、减小重铸层厚度、消除残余应力，改善成形零件的力学性能。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置及方法，利用水基超声振动和磁场的耦合作用，有效减弱等离子体对入射激光束的屏蔽效应和散射作用，提高切割厚板的熔深与激光加工盲孔的孔深，同时加速熔渣去除，有效消减残余应力。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，包括机床底座、聚焦装置和龙门立柱，所述机床底座上放置加工台，所述加工台上装夹工件，所述龙门立柱可移动安装在加工台两侧；所述龙门立柱的横梁上设有可移动的工作滑块，所述工作滑块上安装聚焦装置，用于产生激光；还包括磁场辅助单元和水基超声振动辅助单元，所述磁场辅助单元安装在工作滑块上，且位于聚焦装置旁，用于在激光焦点附近产生磁场；所述水基超声振动辅助单元位于工件底部，用于产生超声振动。

进一步，所述磁场辅助单元包括磁场发生装置和电磁极；所述磁场发生装置用于使两个电磁极之间产生磁场；两个所述电磁极安装在聚焦装置产生激光焦点的两侧。

进一步，所述磁场辅助单元还包括可调支架和电磁极固定板，所述可调支架下端有固定环，所述固定环内安装电磁极，两个所述可调支架分别通过电磁极固定板安装在所述工作滑块两侧。

进一步，所述电磁极的下端与激光焦点的垂直距离至少3mm。

进一步，所述水基超声振动辅助单元包括水箱和超声振动发生器；所述加工台上固定水箱，所述超声振动发生器放置在水箱内，所述超声振动发生器上面放置工件。

进一步，所述水基超声振动辅助单元还包括工件固定板、加工保护板固定滑轨和加工保护板；所述水箱内设有若干加工保护板固定滑轨，所述加工保护板嵌入加工保护板固定滑轨中，所述水箱内壁边缘对称分布若干工件固定板，用于装夹工件。

进一步，所述水箱内部填充液体，液面高度高于工件的下表面约1～2mm，且液面高度低于工件的上表面。

进一步，所述磁场辅助单元和水基超声振动辅助单元分别与数控面板连接。

一种水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置的加工方法，包括如下步骤：

对刀：将聚焦装置的焦点调整到工件的加工位置；

辅助磁场：通过两个所述电磁极在激光焦点的两侧产生磁场；

辅助超声振动：通过超声振动发生器对工件进行超声振动；

激光加工：聚焦装置对工件加工。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，通过改变机床参数和辅助能场的强度，同时实现打孔、切割的多功能加工操作；并可以通过编程在一个工序内同时完成对工件的打孔、切割的多功能加工操作流程，工作效率高。

2.本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，通过超声波的机械振动作用加速激光加工中的熔渣去除，提高了激光切割厚板的熔深与激光打盲孔的孔深，改善了激光加工成形及冶金质量，减少了微裂纹，改善了激光加工周边区域的显微组织与力学性能，并达到有效消减激光加工产生的残余应力的目的。

3.本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，通过磁场对等离子体产生疏导作用，有效减弱等离子体对入射激光束的屏蔽效应和散射作用，有效提高入射激光束的热输入效率，改善激光束的能量密度分布，提高了加工区域的表面质量，大大提升了工作效率。

4.本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，工件置于水箱中，且水箱中的水位超过工件下表面，而不超过工件上表面，一方面保证了超声振动对工件的作用，并对工件的未加工区域起到降温保护的作用；另一方面也避免了水在激光加工过程中对激光束产生的不利作用和影响。

5.本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，通过采用改造过的独立数控系统，使磁场发生装置和超声振动发生器的控制电路与数控面板相连，数控面板不仅能调整聚焦装置的位移，激光的发射，也能控制磁场和超声振动的产生，及其功率大小。整个设备的控制系统被整合成一个整体，便于集中控制，操作方便，节省了时间，提高了生产效率。

6.本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，通过将机床底座与加工台通过铆钉固定连接，水箱设计在加工台上，在和地面保持相对固定的同时，通过伺服电机联动使加工台平移；这样保证了水箱放置的平稳，减少了机械颤动，避免了水箱中的水在机械位移和骤停产生的振动下发生翻滚甚至溢出的情况，大大提升了工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置结构示意图。

图2为本发明所述的磁场辅助单元的结构示意图。

图3为本发明所述的水基超声振动辅助单元的结构示意图。

图中：

1-磁场辅助单元；2-聚焦装置；3-水基超声振动辅助单元；4-数控面板；5-工件；6-机床底座；7-x向丝杠；8-电源箱；9-龙门立柱；10-聚焦装置固定块；11-激光器；12-y向导轨；1-1-磁场发生装置；1-2-电磁极；1-3-可调支架；1-4-电磁极固定板；1-5-工作滑块；3-1-工件固定板；3-2-水箱；3-3-超声振动发生器；3-4-夹紧垫片；3-5-加工保护板固定滑轨；3-6-加工保护板。

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，本发明所述的水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置，包括机床底座6、聚焦装置2、龙门立柱9、数控面板4、x向丝杠7、电源箱8、龙门立柱9、聚焦装置固定块10、激光器11、y向导轨12、磁场辅助单元1和水基超声振动辅助单元3，所述电源箱8安装在机床底座6右侧水平地面上，用于提供动力电源和控制部分；所述机床底座6上放置加工台，所述加工台上装夹工件5，所述龙门立柱9通过x向丝杠7可移动安装在加工台两侧；所述龙门立柱9的横梁上设有y向导轨12，所述y向导轨12上安装可移动的工作滑块1-5，所述工作滑块1-5上通过聚焦装置固定块10安装聚焦装置2，用于产生激光；所述激光器11通过固定在龙门立柱9的横梁上，并通过导光管和聚焦装置2相连。所述磁场辅助单元1安装在工作滑块1-5上，且位于聚焦装置2旁，用于在激光焦点附近产生磁场；所述水基超声振动辅助单元3位于工件5底部，用于产生超声振动。数控面板4与控制部分通讯连接。通过超声波的机械振动作用加速激光加工中的熔渣去除，提高了激光切割厚板的熔深与激光打盲孔的孔深，改善了激光加工成形及冶金质量，减少了微裂纹，改善了激光加工周边区域的显微组织与力学性能，并达到有效消减激光加工产生的残余应力的目的。通过磁场对等离子体产生疏导作用，有效减弱等离子体对入射激光束的屏蔽效应和散射作用，有效提高入射激光束的热输入效率，改善激光束的能量密度分布，提高了加工区域的表面质量，大大提升了工作效率。

如图2所示，所述磁场辅助单元1包括磁场发生装置1-1和电磁极1-2；所述磁场发生装置1-1用于使两个电磁极1-2之间产生磁场；两个所述电磁极1-2安装在聚焦装置2产生激光焦点的两侧。所述磁场辅助单元1还包括可调支架1-3和电磁极固定板1-4，所述可调支架1-3下端有固定环，所述固定环内安装电磁极1-2，两个所述可调支架1-3分别通过电磁极固定板1-4安装在所述工作滑块1-5两侧。所述磁场发生装置1-1通过固定在工作滑块1-5上，并可通过手动调节控制磁场的强弱等级以满足实际生产需求；所述电磁极固定板1-4通过螺钉和工作滑块1-5相连；所述磁场发生装置1-1通过导线与电磁极1-2相连，产生异性相吸的可调磁场；所述电磁极固定板1-4下端有滑轨，通过内六角螺栓和可调支架1-3相连；所述可调支架1-3在竖直方向的位置可以无极调节。

如图3所示，所述水基超声振动辅助单元3包括工件固定板3-1、水箱3-2、超声振动发生器3-3、夹紧垫片3-4、加工保护板固定滑轨3-5和加工保护板3-6；所述超声振动发生器3-3安放在水箱3-2底部右侧边缘处，其频率和强度可以根据实际生产需求进行调节；所述水箱3-2内壁有六道加工保护板固定滑轨3-5，加工保护板3-6嵌于加工保护板固定滑轨3-5之中，并可视情况更换，所述工件固定板3-1共有6个，均匀分布于水箱3-2内壁边缘，通过焊接的方式与水箱3-2内壁连接，并通过螺栓螺母和夹紧垫片3-4进行配合连接。所述夹紧装置中，夹紧垫片3-4可根据工件5的实际大小和形状使用一个或多个夹紧垫片3-4和工件固定板3-1配合夹紧工件5。

所述水箱3-2里面装的是水，水面高度超过工件5的下表面约1～2mm，低于工件5的上表面。所述电磁极1-2可以通过手动调整可调支架1-3，使得每次进行切割或打孔加工时，磁极1-2的下端与激光焦点的垂直距离可以调节且不少于3mm，保证磁场强度最大的位置每次都对准工件激光焦点上方光致等离子体最密集处，这样磁场对光致离子体的疏导效果最为明显，同时可以避免电磁极1-2与工件5发生碰撞。

所述数控面板4不仅与激光器11、各级伺服驱动机相连，还和磁场发生装置1-1、超声振动发声器3-3的控制电路相连，不仅可以实现聚焦装置2的位移，激光的发射，也能控制磁场和超声振动的产生，及其功率大小。

一种水基超声振动耦合磁场辅助的激光加工装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：检查装置，尤其检查可调支架1-3是否在上端极限位置处；取下夹紧垫片3-4；放置工件5，并将其夹紧；

步骤2：从水箱3-2边缘注入水，要求水位高于工件5底部约1～2mm，并不超过工件5的上表面；

步骤3；启动电源，使激光器预热1分钟，在此同时打开数控面板4，打开或输入工作程序，并完成对刀等工序；然后调整聚焦装置2的水平位置至机床边缘，竖直方向的位置调整至距离工件5上方5cm处；根据实际加工需求，手动调整电磁极1-2，使得每次进行切割或打孔加工时，电磁极1-2的下端与激光焦点的垂直距离可以调节且不少于3mm，保证磁场强度最大的位置每次都对准工件激光焦点上方光致等离子体最密集处，同时可以避免电磁极1-2与工件5发生碰撞；

步骤4：检查程序和参数，通过数控面板4，启动磁场发生装置1-1，产生左侧为n极右侧为s极或者左侧为s极右侧为n极的相互吸引的磁场；根据生产加工要求，磁感应强度可通过磁场发生装置1-1的直流电源电压0～60v进行调节，并利用高斯计在磁场中心区域附近测量具体数值，以保证磁场对光致等离子体的疏导效果达到最佳；然后，通过数控面板4启动超声振动发生器3-3，并静置半分钟，以保证所有设备都被彻底激活，并达到最佳工作状态；

步骤5：启动加工程序，在各级伺服驱动电机和激光器11的联动控制下，工作滑块1-5缓缓下降至加工预设高度，聚焦装置2发射出激光，在激光打孔的程序引导下，工件5和聚焦装置2的位置保持相对固定，工件5在激光的照射下熔化，贯穿，实现激光打孔功能；或者，在激光切割的程序引导下，聚焦装置2通过丝杠的两轴联动和工件5产生水平方向的相对位移，激光移动照射的区域工件5发生熔化贯穿，实现激光切割功能；

步骤6：程序停止，关闭电源，待机床冷却后将可调支架1-3调整固定在上端极限位置处。

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。