CN101362254A

CN101362254A - 一种激光加工区物理状态调整方法与装置

Info

Publication number: CN101362254A
Application number: CN 200810013251
Authority: CN
Inventors: 王续跃; 王连吉; 徐文骥; 胡亚峰; 吴东江
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN101362254B

Abstract

本发明一种激光加工区物理状态调整方法与装置属于激光加工技术领域，特别涉及激光与材料相互作用及其在精密零部件的激光加工与成形中的应用。调整方法是先将带有管路和管接头的激光加工区物理状态调整装置，安装在常规激光加工设备工作台上，对激光加工区物理状态的压力、气体成份、流动状态和流动气体温度进行调整与控制，采用真空发生器进行加工区物理状态的负压调整；采用气源充气进行状态的正压调整。调整装置由保护气气源、气体加热器、状态调整器、过滤装置和真空发生器组成。本发明应用在机械、电子、医疗器械、石油、化工和国防等各种装备的精密零部件的成形加工中，可提高原激光加工机床精度和质量。

Description

一种激光加工区物理状态调整方法与装置

技术领域

本发明一种激光加工区物理状态调整方法与装置属于激光加工技术领域，特别涉及激光与材料相互作用的研究方法及其在精密零部件的激光加工与成形中的应用。

背景技术

现代机电、轻纺、石化和国防等各种加工与装备中，对难加工材料微结构件的加工需求越来越多，公知的常规激光加工在大气中进行，对于打孔和切割可以满足常规技术要求，但对精密型腔加工或材料焊接则难以满足较高加工精度与质量要求。在现有工业激光加工设备上，开发一种对激光加工区状态，包括加工区正负压力、气氛、气体流动状态及温度，进行调整、控制方法与装置，可以提高激光加工精度与质量，扩大现有设备的使用范围、提高设备加工能力和利用率，提高难加工材料精密结构件的加工水平，满足现代机械、电子等领域中的加工与装备要求。

发明内容

本发明要解决的技术难题是解决机械、电子、轻工、纺织、石油、化工和国防等各种加工与装备中的难加工材料精密结构件加工与成形技术难题，并提供一种高效、可靠、高质量的激光铣削、成形方法与装置，以满足关键装备中的精密结构件加工微小尺寸、精度和可靠性的要求；缩短工期、提高激光加工质量；加工区±压力，气氛、气体流动状态和温度可调，满足激光铣削物的排除要求，及提高激光精密成形与制造精度和质量。

本发明采用的技术方案是一种激光加工区物理状态调整方法与装置，其特征是，采用保护气气源A、气体加热器B、状态调整器C、过滤装置D和真空发生器E组成的激光加工区物理状态调整装置，附加在常规激光加工设备工作台上，对激光加工区物理状态，例如，正压力、负压力、气体成份、气体流动状态和流动气体温度进行调整与控制；其调整方法特征是：

1)进行加工区物理状态调整装置中的压力调整：负压力调整时，停止保护气气源A供气，即安装上进口管帽10，开启真空发生器E，真空泵的抽气运行使状态调整器C内压力不断降低，根据压力表12显示，完成对状态调整器中的负压状态调整，负压力调整范围为0～-4Kg/cm²；正压力调整时，同样用管帽10关闭状态调整器C输出端，即真空发生器E停止工作，打开输入端气阀、对状态调整器C进行充气，保护气气源A不断充气使状态调整器C内压力不断升高，根据压力表12显示，实现对状态调整器中的正压状态调整，正压力调整范围为0.1～1.5MPa；

2)进行加工区状态调整器中的气体成份、气体流动状态调整：当卸下进口管帽10、对调整系统进行供气时，同时开启真空发生器E，对状态调整器内的气体进行排气调整与流动状态控制，其中：状态调整器C中的气体成份由输入气源确定，按加工状态设计要求接入所需气体成份；当取下状态调整器中的出口管帽5时，状态调整器中的气体流动成层流状态；当状态调整器中安装上有气流调节作用的出口管帽5，旋转出口管帽5的安装角度，状态调整器中的气体流动成不同方向的紊流状态，即对状态调整器C中的气体流动状态调整，层流或湍流的流量范围为200～1000L/min；

3)进行加工区状态调整器中的气体温度调整：对状态调整器C内的气体进行流动状态调整与控制时，连通激光加工区物理状态调整装置，开启真空发生器E，开启气体加热器B进行加热，根据激光加工区预热温度要求，对状态调整器中的气体温度状态调整，调整范围为50～350°C以满足不同材料的激光加工工艺要求；

4)在使用调整装置时，从调整容器1的窗口处，把试件24放在支承台25上，然后关闭窗口，激光从容器的上面窗口照射工件，通过调整容器的前面窗口观测加工区物理状态变化；激光加工区物理状态调整方法，适合于各种激光加工与成形机床的精密加工与精密成形，精密加工尺寸范围可达0.05～0.3mm；使用新气源时，需充气一段时间，待调整器中残留气体排出干净后，进行新气氛加工与成形操作；加工完成后，工件从容器的窗口取出。

所述的一种激光加工区物理状态调整方法，所采用的调整装置，其特征是，调整装置由保护气气源A、气体加热器B、状态调整器C、过滤装置D和真空发生器E组成，其中，状态调整器C是专门设计的，其余功能部件均为选用的标准零部件；状态调整器C由调整容器1、出口管帽5、出口输气管6、进口管帽14、进口输气管16、安全阀15、压力表3以及上窗口和前窗口组成，两个窗口结构与组件相同，上窗口组件由螺栓8、上法兰板9、毡圈10、钢化玻璃11、密封圈12、上法兰座13组成；前窗口组件依次由螺栓8、前法兰座18、前法兰板19、前毡圈20、前钢化玻璃21、前密封圈22组成；调整容器1为一长方形六面体，由底板4、上板2、左侧板7、右侧板17、后板26、前板23六块等厚度钢板焊接而成，在上板2与前板23上开有圆形窗口；左侧板中间开有圆孔，孔与出口输气管6密封焊接，出口输气管6的一端有管螺纹，与出气口管帽5螺纹连接；上法兰座13焊接在调整容器1的上板2上，其上开有环槽和窗口，密封圈12安装在环槽中、其上依次安装有钢化玻璃11、毡圈10、上法兰板9，然后用螺栓8将它们连接固定在一起；右侧板中间同样开有圆孔，孔与进口输气管16密封焊接，进口输气管16的一端有管螺纹，与进气口管帽14螺纹连接；前法兰座18与调整容器1的前板23密封焊接，前法兰座18上开有环槽和窗口，前密封圈22安装在环槽中、其上依次安装有前钢化玻璃21、前毡圈20、前法兰板19，然后用螺栓8固定在前板23上；整个调整容器1通过底板4与激光加工机工作台连接。

本发明的有益效果：采用激光加工区物理状态调整方法与装置，改善激光与材料相互作用状态与条件，通过加工区正、负压力，气氛、气体流动状态和温度的调整，满足激光铣削物的排除要求，及提高激光精密成形、精密制造精度和质量，是突破原机床可加工与成形的尺寸与质量指标，加工出更小尺寸微小结构的有效方法。以制作出用于多种材料型腔和结构零件，加工出大量微小孔0.05-0.2mm，其深径比达到20：1的精密结构零件，解决纺织、石油、化工领域中的过滤结构件的技术难题，满足微结构零部件的图纸技术要求，解决微细塑料模具沟槽型腔的加工难题，包括各项尺寸、形状、位置精度与质量要求，降低制作成本，单件加工的生产效率提高4-5倍。

附图说明

图1-激光加工区物理状态调整系统框图，其中：A-保护气气源，B-气体加热器，C-状态调整器，D-过滤装置，E-真空发生器。

图2-状态调整器主视图，图3-状态调整器正面剖视图，图4-状态调整器左侧面半剖视图；其中：1-调整容器，2-上板，3-压力表，4-底板，5-出口管帽，6-出口输气管，7-左侧板，8-螺栓，9-上法兰板，10-毡圈，11-钢化玻璃，12-密封圈，13-上法兰座，14-进口管帽，15-安全阀，16-进口输气管，17-右侧板，18-前法兰座，19-前法兰板，20-前毡圈，21-前钢化玻璃，22-前密封圈，23-前板，24-试件，25-支撑台，26-后板。

具体实施方式

结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式，把状态调整器E置于激光加工机工作台上，激光加工时，激光束通过状态调整器E上面窗口照射到容器内工件上，进行激光精密铣削、成形、熔覆等；状态调整器E前面窗口用于激光加工区物理状态观察与检测。其详细实施方式如下：

1)加工区状态调整器中的负压调整，即真空度调整，压力调节范围0～-4Kg/cm²，停止气源A供气，即装上进口管帽5，开启真空发生器E，真空泵的抽气运行使状态调整器C内压力不断降低，利用负压提高激光铣削时对烧蚀产物的有效排除率，使激光铣削沟槽形等微细型腔构件的轮廓更清晰、表面质量更好；而正压力调整范围0.5～1.5MPa，用输入管帽14关闭出口输气管6，即真空发生器E停止工作，打开输入端气阀、对状态调整器C进行供气时，气源A不断充气使状态调整器C内压力不断升高，利用正压力作用，使激光焊接区、熔覆区状态得到调整与改善，减少熔化区缺陷，提高激光熔覆成形质量。

2)加工区状态调整器中的气体成份，例如，氮气，氩气，空气，氧气，用于激光铣削不同材料时辅助排除烧蚀产物，状态调整器C中的气体成份由输入气源确定，按加工状态设计要求接入所需气体成份。氮气，氩气保护已加工表面，氧气提高激光铣削能量、有利于排除烧蚀产物，空气介于氮气，氩气保护气与氧气阻燃气之间；气体流动状态调整，用于激光铣削时辅助排除烧蚀产物状态调整，当状态调整器中安装上出口管帽5，旋转气流调节器5的安装角度，状态调整器中的气体流动成不同的紊流状态，层流或湍流流量范围为200～1000L/min，排除烧蚀产物效果提高5倍以上。

3)加工区状态调整器中的温度调整，用于增强材料对激光能量的吸收，启动激光加工区物理状态调整装置，开启气体加热器B进行加热，根据激光加工区预热温度要求，即对状态调整器中的气体温度状态调整提高激光加工效率和质量，不同材料与热温度不同，温度调整范围为50～350℃，满足多种材料的激光加工工艺要求，提高加工精度和质量1-2级。

在常规激光加工机床进行加工区物理状态调整，使用时，工件从容器的窗口放入，激光从容器的上面窗口照射工件，通过容器的前面窗口观测加工区物理状态变化；激光加工区物理状态调整方法，适合于各种激光加工、成形机床的精密加工与精密成形，精密加工尺寸范围可达0.05～0.3mm；需注意正、负压力调整时的安全，调整装置中安装了安全阀；注意换气时，防止空气等外界气体的混入或容器中残留气体，使用新气源时，需充气一段时间，待调整器中残留气体排出干净后，再进行新气氛加工与成形操作。

本发明可应用在机械、电子、医疗器械、轻工、纺织、石油、化工和国防等各种装备的精密零部件、精密熔覆件成形加工中。

Claims

1、一种激光加工区物理状态调整方法与装置，其调整方法特征是，先将带有管路和管接头的激光加工区物理状态调整装置，安装在常规激光加工设备工作台上，然后，对激光加工区物理状态中正压力、负压力、气体成份、气体流动状态和流动气体温度进行调整与控制；其调整方法是：

1)进行加工区物理状态调整装置中的压力调整：负压力调整时，停止保护气气源[A]供气，即安装上进口管帽[10]，开启真空发生器[E]，真空泵的抽气运行使状态调整器[C]内压力不断降低，根据压力表[12]显示，完成对状态调整器中的负压状态调整，负压力调整范围为0～-4Kg/cm²；正压力调整时，同样用管帽[10]关闭状态调整器[C]输出端，即真空发生器[E]停止工作，打开输入端气阀、对状态调整器[C]进行充气，保护气气源[A]不断充气使状态调整器[C]内压力不断升高，根据压力表[12]显示，实现对状态调整器中的正压状态调整，正压力调整范围为0.1～1.5MPa；

2)进行加工区状态调整器中的气体成份、气体流动状态调整：当卸下进口管帽[10]、对调整系统进行供气时，同时开启真空发生器[E]，对状态调整器内的气体进行排气调整与流动状态控制，其中：状态调整器[C]中的气体成份由输入气源确定，按加工状态设计要求接入所需气体成份；当取下状态调整器中的出口管帽[5]时，状态调整器中的气体流动成层流状态；当状态调整器中安装上有气流调节作用的出口管帽[5]，旋转出口管帽[5]的安装角度，状态调整器中的气体流动成不同方向的紊流状态，即对状态调整器[C]中的气体流动状态调整，层流或湍流的流量范围为200～1000L/min；

3)进行加工区状态调整器中的气体温度调整：对状态调整器[C]内的气体进行流动状态调整与控制时，连通激光加工区物理状态调整装置，开启真空发生器[E]，开启气体加热器[B]进行加热，根据激光加工区预热温度要求，对状态调整器中的气体温度状态调整，调整范围为50～350°C以满足不同材料的激光加工工艺要求；

4)在使用调整装置时，从调整容器[1]的窗口处，把试件[24]放在支承台[25]上，然后关闭窗口，激光从容器的上面窗口照射工件，通过调整容器的前面窗口观测加工区物理状态变化；激光加工区物理状态调整方法，适合于各种激光加工与成形机床的精密加工与精密成形，精密加工尺寸范围可达0.05～0.3mm；使用新气源时，需充气一段时间，待调整器中残留气体排出干净后，进行新气氛加工与成形操作；加工完成后，工件从容器的窗口取出；

2、如权利要求1所述的一种激光加工区物理状态调整方法，所采用的调整装置其特征是，调整装置由保护气气源[A]、气体加热器[B]、状态调整器[C]、过滤装置[D]和真空发生器[E]组成，其中，状态调整器[C]是专门设计的，其余功能部件均为选用的标准零部件；状态调整器[C]由调整容器[1]、出口管帽[5]、出口输气管[6]、进口管帽[14]、进口输气管[16]、安全阀[15]、压力表[3]以及上窗口和前窗口组成，两个窗口结构与组件相同，上窗口组件由螺栓[8]、上法兰板[9]、毡圈[10]、钢化玻璃[11]、密封圈[12]、上法兰座[13]组成；前窗口组件依次由螺栓[8]、前法兰座[18]、前法兰板[19]、毡圈[20]、钢化玻璃[21]、密封圈[22]组成；调整容器[1]为一长方形六面体，由底板[4]、上板[2]、左侧板[7]、右侧板[17]、后板[26]、前板[23]六块等厚度钢板焊接而成，在上板[2]与前板[23]上开有圆形窗口；左侧板中间开有圆孔，孔与出口输气管[6]密封焊接，出口输气管[6]的一端有管螺纹，与出气口管帽[5]螺纹连接；上法兰座[13]焊接在调整容器[1]的上板[2]上，其上开有环槽和窗口，密封圈[12]安装在环槽中、其上依次安装有钢化玻璃[11]、毡圈[10]、上法兰板[9]，然后用螺栓[8]将它们连接固定在一起；右侧板中间同样开有圆孔，孔与进口输气管[16]密封焊接，进口输气管[16]的一端有管螺纹，与进气口管帽[14]螺纹连接；前法兰座[18]与调整容器[1]的前板[23]密封焊接，前法兰座[18]上开有环槽和窗口，前密封圈[22]安装在环槽中、其上依次安装有前钢化玻璃[21]、前毡圈[20]、前法兰板[19]，然后用螺栓[8]固定在前板[23]上；整个调整容器[1]通过底板[4]与激光加工机工作台连接。