一种高频电磁感应加热辅助激光加工装置、方法

本技术涉及激光加工领域，尤其是涉及一种高频电磁感应加热辅助激光加工装置、方法。

背景技术：

1、激光加工金属是利用激光器产生的高能量激光束，通过光学系统将激光束聚焦到待加工工件的表面，以产生高能量密度的热源。这种高能量密度热源对金属材料进行瞬间加热，使局部区域的温度升高到熔点以上，然后通过熔化、蒸发或气化来烧蚀或改变其表面特性，从而实现不同目的的加工操作。激光加工金属具有高精度、非接触性、小热影响区域、高效率、灵活性等优点，从而广泛应用于制造业，包括汽车制造、航空航天、电子、医疗器械、军事等各个领域。

2、目前，绝大多数的激光加工金属是在室温条件下进行的，其在加工过程中，激光束需要将加工区域的温度加热至金属材料熔点及以上，该过程需要消耗大量的激光能量，造成激光能量的利用率低，加工效率低。

3、因此，需要一种能提高激光能量利用率的激光加工装置和方法，在相同的激光能量参数下，能实现更深的加工深度、更宽的加工宽度，以及更多加工材料的去除，还能提升样品的加工质量，提高了激光能量的利用率和激光加工的效率。

技术实现思路

1、为达到上述目的，本技术采用下述技术方案：

2、在本技术第一方面提供了一种高频电磁感应加热辅助激光加工装置，其特征在于，包括激光发射系统、激光振镜系统、电磁感应加热系统、冷却系统及测温系统；激光发射系统与激光振镜系统相连；测温系统、电磁感应加热系统及冷却系统依次相连；激光发射系统被配置用于发射激光；激光振镜系统被配置用于控制激光发射系统发射出的激光路径；电磁感应加热系统被配置用于将待加工金属样品加热至目标温度；冷却系统被配置用于为电磁感应加热系统进行降温；测温系统被配置用于实时检测金属样品的温度。

3、通过以上技术方案，使用者通过激光发射系统和激光振镜系统来控制激光的通断和加工路径；设计的电磁感应加热系统利用了电磁感应原理，能够无接触地将金属样品加热至合适的温度，同时测温系统能够实时反馈加热过程中样品的温度变化；冷却系统采用循环液体辅助冷却的方式，能够对电磁感应加热系统进行高效的降温，从而对整个装置起到了保护的作用。

4、具体的，电磁感应加热系统包括：载物台、金属线圈及电源；金属线圈与电源相连；载物台为石英岩材质，且载物台同轴放置于金属线圈内部；金属线圈由一定匝数的空心铜管缠绕而成；电源被配置用于为金属线圈提供高频交流电。

5、具体的，冷却系统包括：冷却桶、水泵、软管；冷却系统与电磁感应加热系统通过软管相连；冷却桶与水泵通过软管相连；冷却桶中放置有用于冷却电磁感应加热系统的冷却液。

6、通过以上技术方案，通过采用上述技术方案，采用循环流动的冷却液给金属线圈进行冷却，以控制金属线圈的温度，防止其过热，减少热应力对金属线圈的损害，延长其使用寿命，同时保证电磁感应加热过程的安全与稳定。冷却桶中盛放具有较高比热容和导热性的液体水，能够快速传递和吸收金属线圈产生的热量；冷却系统中的水泵用于将适量的冷却桶的冷却液泵进金属线圈内后，再回流至冷却桶内，构成一个冷却液循环流动的系统，以高效快速给金属线圈降温；采用可弯曲的软管连接水泵和冷却桶，以便根据工作场合合理布局冷却系统设备。

7、具体的，测温系统包括：热电偶、测温仪；热电偶放置于载物台上并与金属样品接触；测温仪与热电偶相连，并将热电偶传输的电信号转换为实时温度。

8、通过采用上述技术方案，测温系统的热电偶采用可弯曲、量程大、热响应快、灵敏度高的k型铠装热电偶，能够快速准确感知金属样品的温度，同时高清显示的测温仪能够实时显示出热电偶所探测的实时温度；热电偶需要与载物台上的金属样品相接触，保证能够精准感知到金属样品的实时温度。

9、具体的，激光发射系统响应于金属样品采用不同波长的脉冲激光器，使用者针对不同的加工目标要求，根据待加工金属样品的吸收特性、光学效应、应用需求等加工特性，选择合适波长的脉冲激光器。

10、具体的，激光振镜系统包括：振镜、场镜、计算机；计算机分别与振镜、场镜相连；振镜配置用于控制激光发射系统所发出的激光的扫描路径；场镜配置用于聚焦激光发射系统所发出的激光；计算机配置用于控制激光发射系统所发出激光的通断，且计算机内预设程序。

11、通过以上技术方案，使用者通过计算机上相应的软件设计出相应的加工路径，然后利用计算机控制振镜来实现激光束沿着设定的路径移动，并在场镜的聚焦作用下，将激光束聚焦到最佳激光光斑直径，从而实现对金属样品的精细加工。

12、在本技术的第二个方面提供了一种高频电磁感应加热辅助激光加工方法，包括：s1、样品的处理：将待加工金属样品进行砂纸打磨、去离子水冲洗、超声波清洗并用气枪吹干后，平置于载物台上；

13、s2、激光参数和加工路径的设置：通过计算机上预设程序设置加工的具体路径及激光加工参数，激光加工参数包括激光功率、脉冲频率、脉冲宽度、扫描速度、扫描次数；

14、s3、加热系统参数的设置：选取合适匝数的金属线圈，设置电源的参数，电源参数包括电压、功率、电流大小与频率；

15、s4、金属样品的加热：开启水泵、测温仪后，开启电源开关，利用电磁感应原理给金属样品加热；

16、s5、激光加工过程：测温系统检测到金属样品达到目标温度时，执行计算机上预设程序，使激光发射系统所发出的激光按照设计的路径对金属样品开始加工；

17、s6、加工后样品的冷却与表征：激光加工完毕后，关掉电源，水泵待金属线圈冷却至室温再关闭；金属样品自然冷却至室温后，用超声波清洗并用气枪吹干后，用数码显微系统进行加工区域的外貌与轮廓表征。

18、通过采用上述技术方案，设计了一种能提高激光能量利用率的激光加工方法，在相同的激光能量参数下，能实现更深的加工深度、更宽的加工宽度，以及更多加工材料的去除，还能提升样品的加工质量，提高激光加工的效率。后续通过改变电磁感应加热系统的各个参数，可以改变金属样品的加热速度与加热温度，实现更灵活的加工方式。

19、具体的，金属样品为纯钛或其他具有良好导电性的金属。

20、本技术的有益效果如下：

21、1.使用者通过激光发射系统和激光振镜系统来控制激光的通断和加工路径；设计的电磁感应加热系统利用了电磁感应原理，能够无接触地将金属样品加热至合适的温度，同时测温系统能够实时反馈加热过程中样品的温度变化；冷却系统采用循环液体辅助冷却的方式，能够对电磁感应加热系统进行高效的降温，从而对整个装置起到了保护的作用。

22、2.设计了一个安全稳定且高效的电磁感应加热系统，保证能够将金属样品安全且快速加热至目标温度。用于承载金属样品的载物台采用不导电且熔点为1750℃的石英材料，能够不受电磁感应的影响且耐高温。电磁感应加热系统中带有若干匝数的金属线圈采用中空设计，以便冷却液在管内循环流动对金属线圈进行降温，同时金属线圈采用具有高导电性、强抗电磁干扰能力、高热导率、高延展性的铜材质，保证足够的加热速度以及较低的电磁辐射与较强的散热的同时，又易于加工弯曲成线圈；石英载物台同轴放置在金属线圈的内部，保证电磁感应加热过程中足够多的交变磁场通过置于载物台上的金属样品以实现最大化电磁感应效率；金属线圈需要与电源固定连接，以保证金属线圈的稳定性与安全性。

23、3.采用循环流动的冷却液给金属线圈进行冷却，以控制金属线圈的温度，防止其过热，减少热应力对金属线圈的损害，延长其使用寿命，同时保证电磁感应加热过程的安全与稳定。冷却桶中盛放具有较高比热容和导热性的液体水，能够快速传递和吸收金属线圈产生的热量；冷却系统中的水泵用于将适量的冷却桶的冷却液泵进金属线圈内后，再回流至冷却桶内，构成一个冷却液循环流动的系统，以高效快速给金属线圈降温；采用可弯曲的软管连接水泵和冷却桶，以便根据工作场合合理布局冷却系统设备。

24、4.测温系统的热电偶采用可弯曲、量程大、热响应快、灵敏度高的k型铠装热电偶，能够快速准确感知金属样品的温度，同时高清显示的测温仪能够实时显示出热电偶所探测的实时温度；热电偶需要与载物台上的金属样品相接触，保证能够精准感知到金属样品的实时温度。

25、5.使用者针对不同的加工目标要求，根据待加工金属样品的吸收特性、光学效应、应用需求等加工特性，选择合适波长的脉冲激光器。

26、6.使用者通过计算机上相应的软件设计出相应的加工路径，然后利用计算机控制振镜来实现激光束沿着设定的路径移动，并在场镜的聚焦作用下，将激光束聚焦到最佳激光光斑直径，从而实现对金属样品的精细加工。

27、7.设计了一种能提高激光能量利用率的激光加工方法，在相同的激光能量参数下，能实现更深的加工深度、更宽的加工宽度，以及更多加工材料的去除，还能提升样品的加工质量，提高激光加工的效率。后续通过改变电磁感应加热系统的各个参数，可以改变金属样品的加热速度与加热温度，实现更灵活的加工方式。

28、8.所选的金属具有良好的导电性，能够受到外部磁场的影响，其微观结构能够在磁场的作用下发生变化，产生涡流，将电能转化为热能给金属样品加热至目标温度。。