CN106695125A - 一种在线改善工件激光加工表面完整性的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
在线改善工件激光加工表面完整性的系统，其特征在于是由激光加工系统和超声振动系统组成，包括激光器控制单元、激光源、工作平台、运动控制单元、超声波发生器、超声波换能器和超声变幅杆；工件安装在工作平台上。在线改善工件激光加工表面完整性的方法，其特征在于对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，通过在激光加工的同时耦合超声振动，在线改善工件激光加工表面完整性。本发明具有在线改善工件激光加工表面完整性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特指一种在线改善工件激光加工表面完整性的系统及方法。
技术背景
激光加工技术是利用聚焦后的高能激光束与材料之间相互作用的特性，对金属材料以及非金属材料进行焊接、热处理、表面处理等的一门加工技术。激光加工技术具有加工效率高、自动化程度高、环境污染小等优点而成为备受瞩目的绿色加工技术。虽然激光加工技术已经被广泛的应用到加工工程技术领域，但是激光加工技术会降低工件表面完整性，从而严重的降低了工件的后续使用寿命。所谓表面完整性主要包括工件加工后的表面纹理和表面质量。表面纹理主要采用粗糙度、波纹度、宏观裂纹等指标进行表征，表面质量主要采用残余应力、微观组织结构、显微裂纹等指标进行评价。因此如何改善工件激光加工表面完整性已经成为激光加工技术领域研究的关键问题之一。
目前采用的改善工件激光加工表面完整性的方法主要包括表面磨削工艺、低应力磨削工艺、热时效工艺以及振动时效工艺(又称为振动消除残余应力工艺)来改善工件激光加工表面粗糙度和降低工件激光加工表面残余应力，从而改善工件激光加工表面完整性。综上所述我们不难发现，这些改善工件激光加工表面完整性的方法都是针对已经进行过激光加工后的工件进行处理的，然而激光焊接技术(激光加工领域应用最为广泛的技术之一)涉及到了材料的熔化和凝固过程。对于以凝固过程作为最终加工环节的工件，凝固过程的影响尤为重要。对于凝固后还要经过进一步加工的工件，凝固的影响也很明显，因为凝固过程中形成的缺陷是很难在进一步加工中消除的。因此在激光加工的过程中就改善工件表面完整性具有特别重要的意义。针对现有改善工件激光加工表面完整性的方法存在的不足，本发明提出一种在线改善工件激光加工表面完整性的系统及方法。
发明内容
为了克服现有改善工件激光加工表面完整性的方法无法在线改善工件激光加工表面完整性的不足，本发明提出一种在线改善工件激光加工表面完整性的系统及方法。
在线改善工件激光加工表面完整性的系统，其特征在于是由激光加工系统和超声振动系统组成，包括激光器控制单元、激光源、工作平台、运动控制单元、超声波发生器、超声波换能器和超声变幅杆；工件安装在工作平台上。
在线改善工件激光加工表面完整性的方法，其特征在于对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，通过在激光加工的同时耦合超声振动，在线改善工件激光加工表面完整性。
进一步，激光器控制单元控制激光器输出激光束；运动控制单元控制工作平台的运动速度；超声波发生器将220V交流电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将输入的高频交流电信号转换成超声振动信号后传递出去；超声变幅杆放大超声波换能器产生的超声振动信号，并将超声振动能量汇聚到较小的面积上。
进一步，超声波换能器由背衬、压电层和匹配层组成。
具体而言，工件安装在工作平台上，对工件进行激光加工的同时进行超声振动。激光器控制单元控制激光器输出激光束；运动控制单元控制工作平台的运动速度；超声波发生器将220V交流电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将输入的高频交流电信号转换成超声振动信号后传递出去；超声变幅杆放大超声波换能器产生的超声振动信号，并将超声振动能量汇聚到较小的面积上。对工件进行激光加工的同时进行超声振动，能够在线改善工件激光加工表面完整性。
采用小孔法测试装置分别对经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件进行残余应力测试；采用超景深三维显微系统分别对经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件进行表面三维形貌的分析。对比经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件的残余应力和表面三维形貌的实验结果，发现在线改善工件激光加工表面完整性系统能够降低工件表面残余应力和改善工件表面粗糙度，即在线改善工件激光加工表面完整性的系统能够在线改善工件激光加工后的表面完整性。
本发明的技术构思是：由激光器控制单元、激光源、工作平台、运动控制单元、超声波发生器、超声波换能器以及超声变幅杆构成在线改善工件激光加工表面完整性的系统；将工件安装在工作平台上，对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，改善工件激光加工后的表面完整性，最终实现在线改善工件激光加工表面完整性的目的。
本发明的有益效果是:
1、本发明提出的在线改善工件激光加工表面完整性的系统，能够对工件进行激光加工的同时进行超声振动，从而在线改善工件激光加工表面完整性。
2、本发明提出的在线改善工件激光加工表面完整性的系统，是在激光加工的同时对工件进行超声振动处理，在线改善工件激光加工表面完整性，相比于工件只经过激光加工处理后在采取后续工序来改善工件激光加工表面完整性来说，在线改善工件激光加工表面完整性系统的提出和应用，能够降低劳动强度、提高激光加工效率、在线改善工件激光加工表面完整性。
附图说明
图1在线改善工件激光加工表面完整性的原理示意图
图2激光加工系统示意图
图3超声振动系统示意图
图4 AISI 1045钢试样尺寸示意图
图5a x轴向残余应力测试结果
图5b y轴向残余应力测试结果
图6工件激光加工后表面三维形貌的形成原理示意图
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
在线改善工件激光加工表面完整性的系统，其特征在于是由激光加工系统和超声振动系统组成，包括激光器控制单元、激光源、工作平台、运动控制单元、超声波发生器、超声波换能器和超声变幅杆；工件安装在工作平台上。
在线改善工件激光加工表面完整性的方法，其特征在于对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，通过在激光加工的同时耦合超声振动，在线改善工件激光加工表面完整性。
进一步，激光器控制单元控制激光器输出激光束；运动控制单元控制工作平台的运动速度；超声波发生器将220V交流电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将输入的高频交流电信号转换成超声振动信号后传递出去；超声变幅杆放大超声波换能器产生的超声振动信号，并将超声振动能量汇聚到较小的面积上。
进一步，超声波换能器由背衬、压电层和匹配层组成。
具体而言，工件安装在工作平台上，对工件进行激光加工的同时进行超声振动。激光器控制单元控制激光器输出激光束；运动控制单元控制工作平台的运动速度；超声波发生器将220V交流电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将输入的高频交流电信号转换成超声振动信号后传递出去；超声变幅杆放大超声波换能器产生的超声振动信号，并将超声振动能量汇聚到较小的面积上。对工件进行激光加工的同时进行超声振动，能够在线改善工件激光加工表面完整性。
采用小孔法测试装置分别对经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件进行残余应力测试；采用超景深三维显微系统分别对经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件进行表面三维形貌的分析。对比经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件的残余应力和表面三维形貌的实验结果，发现在线改善工件激光加工表面完整性系统能够降低工件表面残余应力和改善工件表面粗糙度，即在线改善工件激光加工表面完整性的系统能够在线改善工件激光加工后的表面完整性。
图1所示的在线改善工件激光加工表面完整性的原理示意图表明，对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，要实现对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，则在线改善工件激光加工表面完整性的系统包括图2和图3所示的激光加工系统和超声振动系统，即在线改善工件激光加工表面完整性的系统是由激光加工系统和超声振动系统组成。采用图2和图3所示的激光加工系统和超声振动系统组成的在线改善工件激光加工表面完整性的系统对图4所示的AISI 1045钢试样进行激光加工的同时对AISI 1045钢试样进行超声振动，在线改善AISI 1045钢试样激光加工表面完整性。采用小孔法测试装置分别对经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的AISI 1045钢试样和直接激光加工后的AISI 1045钢试样进行残余应力测试，其测试结果如图5a和5b所示，通过图5a和图5b残余应力测试结果可知，采用在线改善工件激光加工表面完整性系统对AISI 1045钢试样进行处理，能够降低AISI 1045钢试样的表面残余应力。图6为工件激光加工后表面三维形貌的形成原理示意图，从图6可以发现工件激光加工过程主要包括：①加热过程；②熔化过程；③蒸发过程；④形成凹坑。当对AISI 1045钢试样直接进行激光加工的时候，AISI 1045钢试样会因为脉冲激光束形成的高温而熔化，从而在激光加工的表面区域形成熔池，熔池里的金属液体会产生一定量的蒸发，从而在AISI 1045钢试样表面形成凹坑，同时因为金属液体的蒸发作用，熔池里面的金属液体会飞溅出熔池，在AISI 1045钢试样凹坑周围形成氧化物。当对AISI 1045钢试样进行激光加工的同时进行超声振动，在熔化过程和蒸发过程中超声振动产生的搅拌效应会搅拌熔池，能够减小飞溅出熔池的金属液滴的体积，从而能够减小在凹坑周围形成的氧化物的体积。采用超景深三维显微系统分别对经过在线改善工件激光加工表面完整性系统处理后的工件和直接激光加工后的工件进行表面三维形貌的分析，结果表明在线改善工件激光加工表面完整性系统能够降低AISI 1045钢试样的表面粗糙度。综上所述，采用在线改善工件激光加工表面完整性系统对工件进行激光加工能够改善工件的表面完整性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (3)
1.在线改善工件激光加工表面完整性的系统，其特征在于是由激光加工系统和超声振动系统组成，包括激光器控制单元、激光源、工作平台、运动控制单元、超声波发生器、超声波换能器和超声变幅杆；工件安装在工作平台上。
在线改善工件激光加工表面完整性的方法，其特征在于对工件进行激光加工的同时对工件进行超声振动，通过在激光加工的同时耦合超声振动，在线改善工件激光加工表面完整性。
2.如权利要求1所述的在线改善工件激光加工表面完整性的系统，其特征在于：激光器控制单元控制激光器输出激光束；运动控制单元控制工作平台的运动速度；超声波发生器将220V交流电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将输入的高频交流电信号转换成超声振动信号后传递出去；超声变幅杆放大超声波换能器产生的超声振动信号，并将超声振动能量汇聚到较小的面积上。
3.如权利要求1所述的在线改善工件激光加工表面完整性的系统，其特征在于：超声波换能器由背衬、压电层和匹配层组成。
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