CN109290673A - 一种液态金属加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属加工系统，该系统包括软硬件控制模块、定位反馈模块、PID控制模块、超声驻波悬浮模块、脉冲激光聚焦模块，所述控制模块电连接所述定位反馈模块、PID控制模块、超声驻悬浮模块和脉冲激光聚焦模块；所述定位反馈系统用于对液态金属进行实时定位；所述PID控制模块用于实时采集液态金属在声悬浮操作过程中的位置；所述超声驻悬浮模块用于形成辐射声场，使液态金属置于驻波声场中的物体在高辐射的声压之下达到悬浮效果；所述脉冲激光聚焦模块用于对悬浮的液态金属进行加工。本发明将超声驻波悬浮技术与激光调制聚焦技术复合形成超声激光聚焦复合场技术来实现液态金属的加工，使得应用领域更广泛，加工效果更好。

Description

一种液态金属加工系统

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种液态金属加工系统。

背景技术

液态金属(一种新型金属合金)有类似于玻璃的独特的原子结构，拥有独特的非结晶分子结构，与传统金属的结晶结构截然不同。目前液态金属由于有高硬度、高耐磨、熔点低等特点，现有的液态金属加工方法一般都是熔融后塑形。由于液态金属熔点低，同时还具有在受激光作用后有粘性流体流动，流动不稳定，从而造成激光切割液态金属的不便，且切割出的液态金属的切口流体多、毛刺大，效果不好。在微重力环境下，由浮力驱动的自然对流和流体静压力基本消失；无容器环境避免了样品与容器壁的接触；高真空环境可以最大限度地避免氧化以及杂质的干扰。目前，常用的空间环境地面模拟实验技术有超声悬浮、静电悬浮、电悬浮和气动悬浮等在内的各种悬浮技术。在以上各种技术中，超声悬浮实质上是通过高强度驻波场的粒子非线性效应产生的声辐射力来实现液态金属的悬浮。利用声悬浮技术可以模拟空间环境中的无容器状态，在地面上对材料进行无容器熔炼，可以防止坩埚材料对熔炼材料的接触污染，这对于材料的分析研究具有重要的现实意义。

公开号为CN 103817435A的专利公开了一种应用于激光切割液态金属的冷却装置及使用该冷却装置进行切割液态金属的加工工艺，所述冷却装置包括冷却软管、风嘴、加工台和水箱，所述冷却软管与风嘴相连通，加工时，该风嘴正对于所述加工台上的液态金属加工件，使从风嘴中流出的水性涂料正好落到液态金属的切口处；该水箱设置于所述加工台的下方，使该加工台上的水性涂料回流至该水箱中，且该水箱与冷却软管相连通；在动力驱动下，该水箱中的水性涂料上升至该冷却软管中，并从所述风嘴中流出。所述冷却装置可以使水性涂料循环使用，节约能源，减少污染。该方案还虽然在一定程度上可以改善激光切割液态金属的不变，但是利用该方案对液态金属进行切割还是存在毛刺大，加工效果不好的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种液态金属加工系统，将超声驻波悬浮技术与激光调制聚焦技术复合形成超声激光聚焦复合场技术来实现液态金属的加工。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种液态金属加工系统，包括控制模块、定位反馈模块、PID控制模块、超声驻波悬浮模块、脉冲激光聚焦模块，所述控制模块通讯连接所述定位反馈模块、PID控制模块、超声驻波悬浮模块和脉冲激光聚焦模块；所述定位反馈系统用于对液态金属进行实时定位；所述PID控制模块用于实时采集液态金属在声悬浮操作过程中的位置；所述超声驻波悬浮模块用于形成辐射声场，使液态金属置于驻波声场中的物体在高辐射的声压之下达到悬浮效果；所述脉冲激光聚焦模块用于对悬浮的液态金属进行加工。

进一步的，所述控制模块包括输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器和显示器，所述输入单元与所述数据存储单元采用接口连接，所述数据存储单元与所述数据处理单元、输出单元、控制器和显示器采用接口连接。

进一步的，所述输出单元采用CAN总线连接所述脉冲激光聚焦模块。

进一步的，所述定位反馈模块包括超声波位置传感器、第一单片机和第一模数转换单元，所述超声波位置传感器与所述第一模数转换单元的输入端电连接，所述第一模数转换单元的输出端与所述第一单片机电连接，所述第一单片机通过USB连接所述输入单元。

进一步的，所述PID控制模块包括液态金属位置传感器操作机构、第二单片机和第二模数转换单元，所述液态金属位置传感器操作机构与所述第二模数转换单元的输入端电连接，所述第二模数转换单元的输出端与所述第二单片机电连接，所述第二单片机通过USB连接所述输入单元。

进一步的，所述超声驻波悬浮模块包括超声波发生器、超声换能器、外部辅助设备和反射端，所述超声波发生器通过USB连接所述输入单元，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，所述超声换能器的辐射端和所述反射端构成谐振腔。

进一步的，所述脉冲激光聚焦模块包括激光器、光阑、准直镜和聚焦透镜，所述激光器、光阑、准直镜和聚焦透镜依次平行放置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将超声驻波悬浮技术与脉冲激光聚焦技术复合行成超声复合场加工技术对微粒进行悬浮加工，对微粒无污染，对微粒没有导电导磁的要求，没有固液态限制，没有透明性的要求，应用领域更广泛。

(2)本发明的激光通过光阑、准直镜和聚焦透镜得到的理想光斑半径激光能对微小的驻波悬浮点进行全方位控制加工，利用多重激光聚焦加热技术可以分别对多个对象进行脉冲激光点蚀加工。

(3)本发明使处于微重力声场状态下液态金属在激光聚焦作用下达到系统加工的目的。液态金属在超声场中均匀充分作用，激光反应生成的微孔将会更加均匀，从而达到更光滑的加工效果。

附图说明

图1是本发明提供的一种液态金属加工系统结构示意图；

图2是本发明提供的脉冲激光聚焦模块结构示意图；

图3是本发明提供的一种液态金属加工系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是将超声驻波悬浮技术与激光调制聚焦技术复合形成超声激光聚焦复合场技术。超声驻波悬浮技术是利用超声换能器的辐射端产生高频的活塞式振动，在介质中形成声场，在声波传输路径上放置反射端，使声波反射回来与入射声波相互叠加，调节辐射端面与反射端面之间的距离，使之为超声波半波长的整数倍，入射波与反射波在声场空间中反复多次叠加形成高强驻波声场，并形成辐射声压，置于驻波声场中的微粒在辐射声压的作用下，达到悬浮状态；激光调制聚焦技术是运用半导体脉冲激光器在较短时间内进行金属的激光点蚀。半导体脉冲激光作为一种超短脉冲光源，具有脉冲时间短、峰值功率高的特点，因此可以用于激光加工的理想光源。激光谐振腔发出的基膜辐射场，其中横截面的振幅分布遵循高斯函数，称为高斯光束。在传播方向上的光斑半径最小值称为腰斑半径，即用此激光进行微小孔的加工。根据高斯光束的传播特点，为得到优质的激光束，将在光路中加入光阑滤掉振幅较低的部分。二者相互结合，对超稳定无容器的悬浮物进行靶向定位，从而做到定位准确，超声激光结合的方式，对于没有导电导磁要求、固液相的限制，而且对于非透明材料也能进行激光靶向定位，使得定位更精准，对于靶向激光定位和超声超静定系统的研究和液态材料物理化性质的高精密加工定位系统测量提供了良好的实验条件。

本发明提供一种液态金属加工系统，如图1所示，包括控制模块、定位反馈模块、PID控制模块、超声驻波悬浮模块、脉冲激光聚焦模块，所述控制模块通讯连接所述定位反馈模块、PID控制模块、超声驻悬浮模块和脉冲激光聚焦模块；所述定位反馈系统用于对液态金属进行实时定位；所述PID控制模块用于实时采集液态金属在声悬浮操作过程中的位置；所述超声驻悬浮模块用于形成辐射声场，使液态金属置于驻波声场中的物体在高辐射的声压之下达到悬浮效果；所述脉冲激光聚焦模块用于对悬浮的液态金属进行加工。

具体的，所述控制模块包括输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器和显示器，所述输入单元与所述数据存储单元采用接口连接，所述数据存储单元与所述数据处理单元、输出单元、控制器和显示器采用接口连接。控制器控制数据存储单元完成对输出单元、数据处理单元、显示器等的信号转换和处理。数据存储单元与数据处理单元的信号完成采用双向传输，数据存储单元将信号传输给输出单元，数据存储单元将信号传输给显示器，从而完成对信号的输入、存储、处理、输出等，并通过相互转换为电信号或数字信号在显示器上显示。

具体的，所述定位反馈模块包括超声波位置传感器、第一单片机和第一模数转换单元，所述超声波位置传感器与所述第一模数转换单元的输入端电连接，所述第一模数转换单元的输出端与所述第一单片机电连接，所述第一单片机通过USB连接所述输入单元。通过超声波位置传感器对位置的模拟信号进行采集，再通过第一模数转换单元对采集的模拟信号进行模数转换，把转换得到的数字信号输送至第一单片机，并通过第一单片机的USB口与控制模块的输入单元连接，通过控制模块对信号进行处理，最终将位置信号显示在显示器上面，对微粒悬浮镓合金液态金属进行实时定位。需要说明的是，所述的第一单片机的型号为STM32F101R8。

具体的，所述PID控制模块包括液态金属位置传感器操作机构、第二单片机和第二模数转换单元，所述液态金属位置传感器操作机构与所述第二模数转换单元的输入端电连接，所述第二模数转换单元的输出端与所述第二单片机电连接，所述第二单片机通过USB连接所述输入单元。通过液态金属位置传感器操作机构，液态金属在声悬浮操作过程中的位置经过第二模数转换单元对采集的模拟信号进行模数转换，把转换得到的数字信号输送至第二单片机，并通过第二单片机的USB接口与控制模块的输入单元连接，通过控制模块对信号的处理，最终将反馈操作显示在显示器上面。需要说明的是，所述的第二单片机的型号为STM32F103R6。

具体的，所述超声驻波悬浮模块包括超声波发生器、超声换能器、外部辅助设备和反射端，所述超声波发生器通过USB连接所述输入单元，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，所述超声换能器的辐射端和所述反射端构成谐振腔。利用超声换能器的辐射端产生的高频活塞式振动，在介质中行程声场，并在声波传输路径上放置反射端，使声波反射回来与入射波形成交叠，调节辐射端端面与反射端端面之间的距离，调整为超声波半波长的整数倍，入射波与反射波在谐振腔内反复多次叠加形成高强驻波声场，并形成辐射声场，使其液滴置于驻波声场中的物体在高辐射的声压之下，达到悬浮效果，从而使液滴形成一种超静定的微重力条件下。

具体的，如图2所示，所述脉冲激光聚焦模块包括激光器1、光阑2、准直镜3和聚焦透镜4，所述激光器1、光阑2、准直镜3和聚焦透镜4依次平行放置，所述激光器1发出的激光的光轴依次穿过所述光阑2、准直镜3和聚焦透镜4的中心。液态金属在驻波声场作用下悬浮，给激光聚焦加工提供条件。所述激光器1选择MFPT-20脉宽可调脉冲光纤激光器，其中心波长在1060nm-1070nm之间，平均光功率在19W-21W之间。为更好的获得良好的激光加工效果，在悬浮液滴周围10cm半径的距离选择3台相同配置的脉冲激光器。激光相互作用产生超声振动，在激光诱导金属液滴产生振动的同时，超声振动继而作用在金属内部产生空化作用。从而达到材料从内部加工的效果。激光光源需要准直、聚焦、融合作用到金属液滴表面，在不同的可调脉宽的状态下，激光器1可以达到更理想的加工效果，在此环境下，金属液滴的内部加工效果更好，从内部发生空泡从而达到泡沫金属的加工效果更便捷。

如图3所示，为本发明提供的一种液态金属加工系统框架图，包括开关电源11、继电器12、脉冲半导体激光器13、激光器准直透镜装置14、计算机控制单元15、超声驻波发生器16、高速CCD摄像装置17、镓合金液态金属18、温度控制设备19以及加热板20。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种液态金属加工系统，其特征在于，包括控制模块、定位反馈模块、PID控制模块、超声驻波悬浮模块、脉冲激光聚焦模块，所述控制模块通讯连接所述定位反馈模块、PID控制模块、超声驻波悬浮模块和脉冲激光聚焦模块；所述定位反馈系统用于对液态金属进行实时定位；所述PID控制模块用于实时采集液态金属在声悬浮操作过程中的位置；所述超声驻波悬浮模块用于形成辐射声场，使液态金属置于驻波声场中的物体在高辐射的声压之下达到悬浮效果；所述脉冲激光聚焦模块用于对悬浮的液态金属进行加工。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属加工系统，其特征在于，所述控制模块包括输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器和显示器，所述输入单元与所述数据存储单元采用接口电连接，所述数据存储单元与所述数据处理单元、输出单元、控制器和显示器采用接口连接。

3.根据权利要求2所述的一种液态金属加工系统，其特征在于，所述输出单元采用CAN总线连接所述脉冲激光聚焦模块。

4.根据权利要求2所述的一种液态金属加工系统，其特征在于，所述定位反馈模块包括超声波位置传感器、第一单片机和第一模数转换单元，所述超声波位置传感器与所述第一模数转换单元的输入端电连接，所述第一模数转换单元的输出端与所述第一单片机电连接，所述第一单片机通过USB连接所述输入单元。

5.根据权利要求2所述的一种液态金属加工系统，其特征在于，所述PID控制模块包括液态金属位置传感器操作机构、第二单片机和第二模数转换单元，所述液态金属位置传感器操作机构与所述第二模数转换单元的输入端电连接，所述第二模数转换单元的输出端与所述第二单片机电连接，所述第二单片机通过USB连接所述输入单元。

6.根据权利要求2所述的一种液态金属加工系统，其特征在于，所述超声驻波悬浮模块包括超声波发生器、超声换能器、外部辅助设备和反射端，所述超声波发生器通过USB连接所述输入单元，所述超声波发生器与所述超声换能器电连接，所述超声换能器的辐射端和所述反射端构成谐振腔。

7.根据权利要求2所述的一种液态金属加工系统，其特征在于，所述脉冲激光聚焦模块包括激光器、光阑、准直镜和聚焦透镜，所述激光器、光阑、准直镜和聚焦透镜依次平行放置。