CN109648215B - 一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，包括激光加工中心、超声辅助单元、电磁辅助单元和工件装夹单元，其中电磁辅助单元包括驱动机构、支架、电场发生装置、两个电极板、两个电磁铁和电磁调节装置，支架为回转体，驱动机构用于驱动所述支架绕自身轴线自转，两个电极板和两个电磁铁以支架的轴线为中心沿周向均匀分布于支架的内表面，且电极板与电磁铁间隔设置，本发明不仅可以减弱等离子体的屏蔽、散射及折射效应，提高激光束的热输入效率，而且能在熔融金属中产生电磁搅拌，修复孔壁微裂纹，同时可以细化晶粒和组织，改善力学性能，有效消减残余应力，从而提高打孔效率，增大打孔深度，改善打孔质量。

Description

一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置

技术领域

本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置。

背景技术

激光打孔是激光加工领域的主要研发及应用方向之一。与传统制孔技术相比，激光冲击打孔具有加工材料范围广、制孔速度快、非接触式无污染加工以及经济效益高等优点。因此，脉冲激光被广泛应用于航空发动机热端部件的群孔精密加工。

然而，在激光冲击打孔的过程中，激光功率密度越高，材料加热熔化和汽化越剧烈，所产生的蒸汽和光致等离子体也就越稠密。光致等离子体密度越大，对入射激光辐射能量的屏蔽、散射及折射作用就越明显，从而影响激光热源的热输入分布及效率，导致激光冲击打孔的效率降低，而且，等离子体的运动也会影响到激光打孔的质量和激光打孔过程的稳定性。此外，激光冲击打孔通常为热作用过程，激光加工表面残留物的凝固不仅改变了冶金状态，而且还会导致形成重铸层、微裂纹、飞溅以及残余应力等问题。

为了解决这些问题，同时提高打孔效率并改善打孔质量，可以把超声振动、磁场等辅助能场耦合进激光打孔的过程中。然而，目前尚未查阅到国内外关于水基超声振动、电场和磁场同时耦合辅助激光加工的研究及应用报道。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，利用声场加速熔渣的去除，提高熔渣的去除率，利用外加电场和磁场影响激光冲击打孔过程中的等离子体的运动、形态、密度及分布，以改善激光加工微孔的打孔质量，增大打孔深度，提高打孔效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，包括激光加工中心、超声辅助单元、电磁辅助单元和工件装夹单元；

所述超声辅助单元包括圆形无盖箱体和超声振动平台，所述圆形无盖箱体安装在所述激光加工中心上，所述超声振动平台位于所述圆形无盖箱体内，所述无盖箱体内容纳有用于传播超声波的液体介质，试样通过所述工件装夹单元安装于所述圆形无盖箱体内，并位于所述超声振动平台的上方，所述激光加工中心发出的激光聚焦于试样的待加工表面；

所述电磁辅助单元包括驱动机构、支架、电场发生装置、两个电极板、两个电磁铁和电磁调节装置，所述支架为回转体，下端为圆柱，上端为平面圆环，所述支架的下端可转动地安装于所述圆形无盖箱体上，所述驱动机构用于驱动所述支架绕自身轴线自转；两个所述电极板和两个所述电磁铁以所述支架的轴线为中心沿周向均匀分布于所述支架的内表面，且所述电极板与所述电磁铁间隔设置，所述电场发生装置与所述电极板连接，使两个所述电极板产生电场，所述电磁调节装置与所述电磁铁连接，使两个所述电磁铁产生磁场，试样位于电场和磁场作用范围内。

优选地，所述超声辅助单元还包括用于测量液体介质液位的液位传感器和控制系统，所述液位传感器与所述控制系统连接。

优选地，所述超声辅助单元还包括加热管和用于测量液体温度的温度传感器，所述温度传感器和所述加热管均与所述控制系统连接，所述控制系统根据所述温度传感器传递的信号控制所述加热管的工作。

优选地，所述工件装夹单元包括试样夹具体和压片，所述试样夹具体的两端固定于所述圆形无盖箱体内壁上，试样通过所述压片固定于所述试样夹具体上，所述超声振动平台与所述试样夹具体不接触。

优选地，所述驱动机构包括电动机、皮带轮和传动带，所述传动带连接所述皮带轮和所述支架，所述电动机用于驱动所述皮带轮转动。

优选地，所述超声振动平台包括外壳和设置在外壳内的多个振子，多个所述振子通过振子内接电线依次串联连接，串联的振子通过振子外接电线与超声波发生器电连接。

优选地，所述圆形无盖箱体内的液体介质为超声波清洗剂，所述超声波清洗剂的液面位于试样的上表面和下表面之间。

优选地，所述激光加工中心包括激光器光纤导光装置、聚焦装置、机床工作台、机床底座、数控面板、伺服系统、冷却系统和电源箱，所述机床工作台固连在机床底座上，所述机床工作台上安装有电动机支撑板和箱体支撑板，所述圆形无盖箱体安装在所述箱体支撑板上，所述数控面板用于控制所述的伺服系统，以驱使机床工作台运动，进而使所述圆形无盖箱体能够在X、Y方向上移动以及在B、C方向上转动，所述冷却系统位于机床背面，电源箱在机床背面并位于冷却系统的下方，用于给整个激光加工中心供电。

本发明的有益效果：

1)本发明提供了可旋转的辅助电磁场，相比静态磁场辅助，不仅可以更好的降低光致等离子体的密度、改善等离子体分布情况、降低等离子体的屏蔽效应、提高入射激光束能量的利用率，而且还可以在熔池中产生电磁搅拌效应，修复孔裂纹等冶金缺陷，改善打孔质量。本发明在电磁场辅助之余还耦合了超声振动辅助，利用水作为超声传播的介质，有效减少了超声波在作用于工件的传输过程中的损耗，使超声振动更好的传递到工件上，加速了小孔中熔渣的去除，减少或避免了熔化物在孔壁再次凝固形成重铸层，改善了孔壁的表面质量。此外，超声振动减小甚至消除了残余应力、细化了晶粒与组织，提高小孔区域的力学性能，从而实现改善激光冲击打孔质量并提高打孔效率的目的。

2)本发明提供了液体环境调节系统，通过液位传感器确保了介质水面略高于工件的下表面并低于工件的上表面，从而一方面保证了超声振动的作用效果，另一方面也是避免了激光水下打孔过程中遇到的液体介质对激光束的不利作用及影响，通过温度传感器及加热管，可以按设定温度保证介质环境的温度恒定，研究温度对激光冲击打孔的影响。

3)本发明各个辅助单元均可独立工作，按需求进行组合，研究不同条件下不同能场对激光冲击打孔的增益效果，其操作简单便捷，应用前景广阔，在相关领域中具有重要的研发意义和推广应用价值。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的激光加工中心的结构示意图。

图3为根据本发明实施例的聚焦装置的内部光路图。

图4为根据本发明实施例的超声辅助单元和工件装夹单元的结构示意图

图5为根据本发明实施例的圆形无盖箱体的结构示意图。

图6为根据本发明实施例的电磁辅助单元的结构示意图。

图7为根据本发明实施例的电磁辅助单元中支架部分的剖视图。

图8为根据本发明实施例的超声振动平台与超声波发生器的连接示意图。

附图标记：

1-激光器、2-光纤导光装置、3-聚焦装置、3.1-扩束器、3.2-反光镜、3.3-垂直调节装置、3.4-聚焦透镜、3.5-保护透镜、3.6-喷嘴、3.7-辅助气体、3.8-焦斑、4-机床工作台、5-机床底座、6-数控面板、7-伺服系统、8-冷却系统、9-电源箱、10-电动机支撑板、11-箱体支撑板、12-电动机、13-皮带轮、14-传动带、15-支架、16-轴承、17-圆形无盖箱体、18-电场发生装置、19-电极板、20-电磁铁、21-电磁调节装置、22-超声振动平台、22.1-振子内接电线、22.2-振子、22.3-振子外接电线、22.4-超声波发生器、23-液位传感器、24-温度传感器、25-加热管、26-控制系统、27-试样夹具体、28-试样、29-压片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置。

请参阅图1至图8，根据本发明实施例的一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，包括激光加工中心、超声辅助单元、电磁辅助单元和工件装夹单元。

具体的，如图2所示，激光加工中心包括激光器1、光纤导光装置2、聚焦装置3、机床工作台4、机床底座5、数控面板6、伺服系统7、冷却系统8和电源箱9，机床工作台4固连在机床底座5上，其上安装有电动机支撑板10和箱体支撑板11。圆形无盖箱体17通过螺栓安装在箱体支撑板11上。通过数控面板6控制机床的伺服系统7，可以驱使机床工作台4运动，进而使固定在箱体支撑板11上的圆形无盖箱体17能够在X、Y方向上移动以及在B、C方向上转动，试样28安装于试样夹具体27上。冷却系统8位于机床背面，用于散热。电源箱9在机床背面并位于冷却系统8的下方，用于给整个激光加工中心供电。

如图3所示，聚焦装置3包括扩束器3.1、反光镜3.2、垂直调节装置3.3、聚焦透镜3.4、保护透镜3.5、喷嘴3.6和辅助气体3.7；激光器1产生的激光束，通过光纤导光装置2进入扩束器3.1，经过反光镜3.2反射后，通过聚焦透镜3.4和保护透镜3.5，从而形成焦斑3.8并辐照在试样28的待加工表面，喷嘴3.6用于向试样28喷射辅助气体3.7，聚焦装置3能够沿Z方向移动。

如图4所示为超声辅助单元的结构示意图，包括圆形无盖箱体17、超声振动平台22、液位传感器23、温度传感器24、加热管25和控制系统26。圆形无盖箱体17通过螺栓安装在箱体支撑板11上，超声振动平台位于圆形无盖箱体17内，试样28通过工件装夹单元安装于圆形无盖箱体17内，并位于超声振动平台22的上方，无盖箱体17内容纳有用于传播超声波的液体介质，作为优选，本实施例中的液体介质为超声波清洗剂，超声波清洗剂的液面位于试样28的上表面和下表面之间。

如图4所示本实施例中的工件装夹单元包括试样夹具体27和压片29，试样夹具体27的两端固定于圆形无盖箱体17内壁上，试样28通过压片29固定于试样夹具体27上，超声振动平台22与试样夹具体27不接触。

如图1和图5所示，液位传感器23安装在聚焦装置3上，温度传感器24安装在圆形无盖箱体17的内壁上，两者都与安装在支架15上表面的控制系统26相连接，加热管25安装在圆形无盖箱体底部17且不与超声振动平台22相接触。液位传感器23可以检测液面高度，当液面高度达到预设高度时，液位传感器23将信号传递给控制系统26，控制系统26发出警报声，故而可以控制圆形无盖箱体17内的液面高度。温度传感器24可以检测液体温度，当液体温度低于预设温度时，控制系统26控制加热管25对液体进行加热，当温度达到预设温度时，温度传感器24将信号传递给控制系统26，控制系统26关闭加热管25，以此控制圆形无盖箱体17内液体的温度。

如图8所示，超声振动平台22包括外壳和设置在外壳内的多个振子22.2，多个振子22.2通过振子内接电线22.1依次连接，串联的振子22.2通过振子外接电线22.3与超声波发生器22.4电连接。

如图6所示，电磁辅助单元包括驱动机构、支架15、电场发生装置18、两个电极板19、两个电磁铁20和电磁调节装置21，支架15为回转体，下端为圆柱，上端为平面圆环，支架15的下端通过轴承16安装于圆形无盖箱体17上，轴承16内圈固定而外圈可转动，驱动机构用于驱动支架15绕自身轴线自转，包括电动机12、皮带轮13和传动带14，传动带14连接皮带轮13和支架15，电动机12用于驱动皮带轮13转动。因此，随着电动机12的转动，支架15相对于圆形无盖箱体17转动。

如图6和图7所示，两个电极板19和两个电磁铁20以支架15的轴线为中心沿周向均匀分布于支架15下端圆柱的内表面，且电极板19与电磁铁20间隔设置，电场发生装置18与电极板19连接，使两个电极板19产生电场，并可以调节电极板19的电场强度，电磁调节装置21与电磁铁20连接，使两个电磁铁20产生磁场，通过调节电压值可以改变电磁铁20所产生的磁场强度，试样28位于电场和磁场作用范围内。

本发明的工作过程：激光器1产生的激光束通过光纤导光装置2进入聚焦装置3中，形成焦斑3.8照射于试样夹具体27中的试样28的相应加工位置，试样28加工表面的温度急剧升高，在试样28的加工位置处形成熔池，进而形成微孔。

超声波发生器22.4控制超声振动平台22工作，产生的超声振动通过圆形无盖箱体17中的液体介质传递到试样28上，超声振动的方向与试样28加工表面垂直且与激光束的方向平行。通过超声振动，加速了在激光加工过程中熔融金属的排出，减少或避免了熔融金属在孔壁的再次凝固，从而有助于提高打孔深度和孔口直径。

电动机12通过皮带轮13与传动带14带动支架15上的电极板19和电磁铁20旋转，产生旋转电磁场。在激光冲击打孔过程中，激光束照射在试样28上，会形成等离子体。等离子体是一种由电子、离子和中性粒子组成的电离气体，在旋转电磁场的作用下，光致等离子体的体积将发生膨胀，其密度会减小，可以有效减弱等离子体对入射激光束的屏蔽效应，使更多的激光能量被用来去除材料，从而增大打孔深度，提高打孔效率。此外，旋转磁场会在熔融金属中引起电流，在洛仑兹力的作用下产生电磁搅拌，从而使得熔融材料均匀地附着在孔壁上，修复裂纹并形成光滑的孔壁，提高了打孔的质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，包括激光加工中心、超声辅助单元、电磁辅助单元和工件装夹单元；

所述超声辅助单元包括圆形无盖箱体(17)和超声振动平台(22)，所述圆形无盖箱体(17)安装在所述激光加工中心上，所述超声振动平台位于所述圆形无盖箱体(17)内，所述无盖箱体(17)内容纳有用于传播超声波的液体介质，试样(28)通过所述工件装夹单元安装于所述圆形无盖箱体(17)内，并位于所述超声振动平台(22)的上方，所述激光加工中心发出的激光聚焦于试样(28)的待加工表面；

所述电磁辅助单元包括驱动机构、支架(15)、电场发生装置(18)、两个电极板(19)、两个电磁铁(20)和电磁调节装置(21)，所述支架(15)为回转体，下端为圆柱，上端为平面圆环，所述支架(15)的下端可转动地安装于所述圆形无盖箱体(17)上，所述驱动机构包括电动机(12)、皮带轮(13)和传动带(14)，所述传动带(14)连接所述皮带轮(13)和所述支架(15)，所述电动机(12)用于驱动所述皮带轮(13)转动；两个所述电极板(19)和两个所述电磁铁(20)以所述支架(15)的轴线为中心沿周向均匀分布于所述支架(15)的内表面，且所述电极板(19)与所述电磁铁(20)间隔设置，所述电场发生装置(18)与所述电极板(19)连接，使两个所述电极板(19)产生电场，所述电磁调节装置(21)与所述电磁铁(20)连接，使两个所述电磁铁(20)产生磁场，试样(28)位于电场和磁场作用范围内。

2.根据权利要求1所述的基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，所述超声辅助单元还包括用于测量液体介质液位的液位传感器(23)和控制系统(26)，所述液位传感器(23)与所述控制系统(26)连接。

3.根据权利要求2所述的基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，所述超声辅助单元还包括加热管(25)和用于测量液体温度的温度传感器(24)，所述温度传感器(24)和所述加热管(25)均与所述控制系统(26)连接，所述控制系统(26)根据所述温度传感器(24)传递的信号控制所述加热管(25)的工作。

4.根据权利要求1所述的基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，所述工件装夹单元包括试样夹具体(27)和压片(29)，所述试样夹具体(27)的两端固定于圆形无盖箱体(17)内壁上，试样(28)通过所述压片(29)固定于所述试样夹具体(27)上，所述超声振动平台(22)与所述试样夹具体(27)不接触。

5.根据权利要求1所述的基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，所述超声振动平台(22)包括外壳和设置在外壳内的多个振子(22.2)，多个所述振子(22.2)通过振子内接电线(22.1)依次串联连接，串联的振子(22.2)通过振子外接电线(22.3)与超声波发生器(22.4)电连接。

6.根据权利要求1所述的基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，所述圆形无盖箱体(17)内的液体介质为超声波清洗剂，所述超声波清洗剂的液面位于试样(28)的上表面和下表面之间。

7.根据权利要求1所述的基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，其特征在于，所述激光加工中心包括激光器(1)、光纤导光装置(2)、聚焦装置(3)、机床工作台(4)、机床底座(5)、数控面板(6)、伺服系统(7)、冷却系统(8)和电源箱(9)，所述机床工作台(4)固连在机床底座(5)上，所述机床工作台(4)上安装有电动机支撑板(10)和箱体支撑板(11)，所述圆形无盖箱体(17)安装在所述箱体支撑板(11)上，所述数控面板(6)用于控制所述的伺服系统(7)，以驱使机床工作台(4)运动，进而使所述圆形无盖箱体(17)能够在X、Y方向上移动以及在B、C方向上转动，所述冷却系统(8)位于机床背面，电源箱(9)在机床背面并位于冷却系统(8)的下方，用于给整个激光加工中心供电。

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