CN108161334A - 激光超声加工非透明材料内部的方法 - Google Patents

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    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P13/00—Making metal objects by operations essentially involving machining but not covered by a single other subclass

Abstract

本发明公开了一种激光超声加工非透明材料内部的方法，将非透明材料置于超声阵列悬浮装置和激光阵列中，调整激光阵列入射的角度和超声相控阵的相位，控制聚焦点位置，使其在非透明材料内部移动，形成非透明材料内部孤立子运动轨迹，实现动态加工非透明材料的内部结构。本发明可以加工非透明固体材料，与激光加工相比，本发明适用范围更广，加工材料种类更多。本发明可以直接加工材料内部，可以极大的提高材料利用率和成形能力。

Description

激光超声加工非透明材料内部的方法
技术领域
本发明适用于材料加工技术领域，具体涉及激光超声阵列操控声孤立子在非透明材料内部加工的方法。
背景技术
当前的加工成形工艺，无论是传统的铸造成形、锻造成形、切削或是特种加工成形，他们都有一个共同的特点，加工工具都被置于被加工材料的外部，都只与被加工材料的表面相互作用，用于加工成形的能量也是从表面传给被加工的坯料，而内加工的方法可以让金属零件内部加工出各种内部结构，而不伤及表面。
随着科学技术和现代工业的发展，内加工技术对工业发展愈显得重要，而内加工能够在坯料中直接进行零件的三维体规划，提高了材料的加工多样性，改变了对传统加工的工艺路线。
由于激光超声在非透明材料中具有优越的穿透性能，为了推进激光超声在非透明材料黑色系金属坯料内部聚焦加工技术发展，基于此，应用激光超声阵列聚焦技术，提出了加工非透明材料内部结构的方法。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种激光超声加工非透明材料的方法，用于加工非透明的金属材料，在非透明材料内部完成成形加工。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：激光超声加工非透明材料内部的方法，将非透明材料置于超声阵列悬浮装置和激光阵列中，调整激光阵列入射的角度和超声相控阵的相位，控制聚焦点位置，使其在非透明材料内部移动，形成非透明材料内部孤立子运动轨迹，实现动态加工非透明材料的内部结构。
所述超声阵列悬浮装置和激光阵列采用激光超声阵列和超声阵列组成建立2D正交超声驻波场，将激光超声阵列单元叠加在超声驻波发射、反射端面，形成高低频复合场。
所述超声阵列悬浮装置包括上下对称为超声阵列发射器和接收器。
所述激光阵列为多束激光超声阵列，下端的超声相控阵凹面聚焦阵元、上端的超声反射端、左右的多束激光超声阵列组成“Y”形聚焦光束。
所述激光超声阵列为4束调制飞秒激光阵列。
所述非透明材料位于温控区内。
所述温控区保持材料表面温度控制在80℃。
所述非透明材料采用锡铋合金。
所述超声阵列悬浮装置形成高频超声驻波悬浮。
所述激光阵列形成飞秒激光超声阵列。
本发明与现有加工方法相比，具有以下优点：
1、本发明可以加工非透明固体材料，与激光加工相比，本发明适用范围更广，加工材料种类更多。
2、本发明可以直接加工材料内部，可以极大的提高材料利用率和成形能力。
3、本发明能够直接在坯料中直接进行三维立体规划，能够将能量集中到材料内部，不必用从外层逐级向零件内部逼近，大大提高加工效率。
4、本发明通过温控平台使材料的温度在控制范围内浮动。
5、本发明提出新型材料的加工方法，即声孤立子加工材料内部。
附图说明
图1是本发明整体装置结构示意图
图2是超声相控阵控制非透明材料悬浮示意图
具体实施方式
如图1和图2所示，激光超声加工非透明材料内部的方法，所述非透明材料采用锡铋合金，将锡铋合金置于超声阵列悬浮装置和激光阵列中，调整激光阵列入射的角度和超声相控阵的相位，控制聚焦点位置，使其在锡铋合金内部移动，形成锡铋合金内部孤立子运动轨迹，实现动态加工非透明材料的内部结构。
所述超声阵列悬浮装置和激光阵列采用激光超声阵列和超声阵列组成建立2D正交超声驻波场，改进相控超声阵列聚焦技术，将激光超声阵列单元叠加在超声驻波发射、反射端面，形成高低频复合场。
所述超声阵列悬浮装置包括上下对称为超声阵列发射器和接收器。
所述激光阵列为多束激光超声阵列，下端的超声相控阵凹面聚焦阵元、上端的超声反射端、左右的多束激光超声阵列组成“Y”形聚焦光束。所述激光超声阵列为4束调制飞秒激光阵列。
所述非透明材料位于温控区内。所述温控区保持材料表面温度控制在80℃。
所述超声阵列悬浮装置形成高频超声驻波悬浮。所述激光阵列形成飞秒激光超声阵列。
本发明激光超声加工材料内部的方法工作原理：如图1所示，上下对称为超声阵列发射器和接收器组成超声阵列悬浮装置，左右为4束调制飞秒激光阵列，与超声阵列单元组成Y形聚焦能束。非透明材料采用锡铋合金，锡铋合金的熔点为110℃，为低熔点合金，当超声相控阵作用于锡铋合金时，在声辐射力和反射力的作用下，稳定的操控在合成声场中的声势阱(声压节点位置)，如图2所示。
当4束飞秒激光阵列照射到试样表面的超声脉冲宽度很窄时，激光能量不足以使材料表面熔化时，材料内超声脉冲由于试样吸收光能发生热弹性膨胀，吸收了光能的浅表部分，由于温度上升而发生局部热膨胀以致发生局部应变，在金属的表面立刻因热膨胀产生热弹压力，当表面为自由状态时，就会向周围辐射出纵波和横波。由于入射光波是脉冲的，该形变也是周期性的，周期形变在周围介质中激发了超声波。
激光阵列激发时，在非透明材料周围设置一个保护材料的温度控制区域，保持材料表面温度控制在80℃，不因长时间受到激光作用而导致局部温度升高，表面发生融化现象，保护了材料表面。
如图2所示，材料受到下方超声阵列的辐射力、两侧激光阵列的热效应和激光超声激发的超声传递导致材料内部声波呈现无规则运动，加快了颗粒的运动速度，同时造成颗粒碰撞加剧，引起局部的温升，进一步使得单位时间里颗粒之间的碰撞次数大为增加，引起颗粒团聚的趋势的加剧，使得非透明材料内部声压节点位置波形发生紊乱。在复合声场中存在声之间非线性作用力以及激光超声激发的超声波，在锡铋合金聚焦点中传递时，由于温度、声波的叠加，在锡铋合金内部发生形变，传递的波形发生畸变，且在非透明材料中形成一种复杂的非线性波形传递关系，此时材料内部势阱焦域中形成声孤立子，且使聚焦点的温度急剧上升到熔点110℃，内部变成液相，而表面温度由于存在温度控制器，使得只存在聚焦点的温度升高，调整激光阵列入射的角度和超声相控阵的相位，控制聚焦点位置，使其在锡铋合金内部移动，声孤立子具有很高的能量，超声相控阵带动了声孤立子的运动，设置聚焦点的温度右移，形成锡铋合金内部的孤立子运动轨迹，实现了动态加工锡铋合金的内部结构。
本发明采用声悬浮技术，利用超声发生器驱动换能器，其发射端发出的超声波与反射端反射的超声波，叠加形成驻波，产生了方向向上的声压和方向向下的声压，非透明材料发生低频振动，停在上下声压相互平衡的点，此点位置产生声势阱，声势阱可使物块保持稳定悬浮。
本发明激光阵列激光脉冲投射到样品表面时，部分能量被材料吸收，温度迅速升高引起快速热膨胀激励超声脉冲，阵列超声聚焦驻波点，由于非透明材料表面存在光的散射和反射，随时间的发展，激光阵列聚焦点局部温度升高，非透明材料发生形变，波形随着材料形变而发生变化，波的宽度被压缩，而波包逐渐展平、变宽，当两者的效应达到某一种平衡时，波的散射、材料的应力和应变关系相互抵消时，在驻波点产生孤立波即声孤立子，由于声孤立子具有波-粒的稳定孤波，在驻波点几乎集中全部的能量、动量及振幅，在激光超声脉冲作用下，金属结构发生破坏。
本发明与现有加工方法相比，具有以下优点：
1、本发明可以加工非透明固体材料，与激光加工相比，本发明适用范围更广，加工材料种类更多。
2、本发明可以直接加工材料内部，可以极大的提高材料利用率和成形能力。
3、本发明能够直接在坯料中直接进行三维立体规划，能够将能量集中到材料内部，不必用从外层逐级向零件内部逼近，大大提高加工效率。
4、本发明通过温控平台使材料的温度在控制范围内浮动。
5、本发明提出新型材料的加工方法，即声孤立子加工材料内部。

Claims (10)

1.激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：将非透明材料置于超声阵列悬浮装置和激光阵列中，调整激光阵列入射的角度和超声相控阵的相位，控制聚焦点位置，使其在非透明材料内部移动，形成非透明材料内部孤立子运动轨迹，实现动态加工非透明材料的内部结构。
2.根据权利要求1所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述超声阵列悬浮装置和激光阵列采用激光超声阵列和超声阵列组成建立2D正交超声驻波场，将激光超声阵列单元叠加在超声驻波发射、反射端面，形成高低频复合场。
3.根据权利要求1或2所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述超声阵列悬浮装置包括上下对称为超声阵列发射器和接收器。
4.根据权利要求1或2所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述激光阵列为多束激光超声阵列，下端的超声相控阵凹面聚焦阵元、上端的超声反射端、左右的多束激光超声阵列组成“Y”形聚焦光束。
5.根据权利要求4所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述激光超声阵列为4束调制飞秒激光阵列。
6.根据权利要求1所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述非透明材料位于温控区内。
7.根据权利要求6所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述温控区保持材料表面温度控制在80℃。
8.根据权利要求1或2所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述非透明材料采用锡铋合金。
9.根据权利要求1所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述超声阵列悬浮装置形成高频超声驻波悬浮。
10.根据权利要求1所述的激光超声加工非透明材料内部的方法，其特征在于：所述激光阵列形成飞秒激光超声阵列。
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