CN111136382A - 一种基于声波监测的激光制造过程调控方法 - Google Patents

一种基于声波监测的激光制造过程调控方法 Download PDF

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Abstract

一种基于声波监测的激光制造过程调控方法，可解决激光系统不稳定和工艺参数不匹配导致的构件尺寸参数和形貌组织异常的技术问题。本发明通过在线监测光声信号，快速优化激光加工参数，实现一种基于光声监测的高效率高品质激光制造。本发明基于光声信号监测的激光制造方法按以下步骤实现：一、对样品做预处理，二、设置激光加工参数，在特定环境下开始加工，三、在线监测光声信号，并根据信号特征快速调整激光加工参数，完成激光加工过程。本发明基于光声信号监测可实时监测激光加工异常，快速调控优化激光加工参数，可实现高效激光制造过程调控。

Description

一种基于声波监测的激光制造过程调控方法
技术领域
本发明涉及激光精密加工技术领域，具体涉及一种基于声波监测的激光制造过程调控方法。
背景技术
传统构件加工方法包括机械加工、化学刻蚀、光刻和聚焦离子束刻蚀等，然而机械加工容易造成材料表面损伤，化学刻蚀则需要针对特定材料开发特定的腐蚀液，且容易污染环境，光刻和聚焦离子束具有很高的刻蚀精度，但需要专门的设备和专业的技术操作，成本较高。而激光加工技术是一种无污染和经济的无接触式加工手段，且几乎可加工任何材料，包括一些传统加工手段难加工的硬脆材料，如陶瓷材料等，因而受到广泛关注。然而，激光加工过程的热效应容易造成表面损伤，包括热影响区、氧化和表面不规整。同时，由于激光光学系统激光时频特性、光斑直径变化、功率抖动、偏振变化、光束质量及光学聚焦系统等诸多因素影响，激光制造构件尺寸和组织形貌存在不确定性。因而，在线监测激光制造过程的特征信号并实时反馈控制激光加工参数成为高效和高质量激光制造的一条重要路径。
针对高效和高质量激光制造的应用需求，本项目提出利用激光与材料表面相互作用过程中产生声波信号进行异常状态的在线监测和激光加工参数的实时反馈调节。
发明内容
本发明提出的一种基于声波监测的激光制造过程调控方法，可解决加工过程中由于激光加工系统、激光加工参数和材料等因素不匹配导致的结构尺寸参数和形貌结构异常的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于声波监测的激光制造过程调控方法，包括：基于光声监测的激光制造在线监测结构，所述光声监测的激光制造在线监测结构包括激光加工系统；
还包括声信号测量系统、数据采集与系统控制装置，所述声信号测量系统、激光加工系统分别与数据采集与系统控制装置连接；
其中，所述调控方法包括以下步骤：
S100、对待加工样品进行预处理；
S200、设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
S300、通过信号测量系统测量待加工样品在加工过程中产生的光声信号，并通过数据采集与系统控制装置在线监测激光制造过程中产生的光声数据，并依据光声信号特征实时反馈优化激光加工参数，直至加工结束。
进一步的，所述S100对待加工样品进行预处理；
其中，加工样品包括陶瓷材料和金属材料。
进一步的，所述S100对待加工样品进行预处理；
其中预处理包括超声清洗处理和无水乙醇清洗、水洗和表面干燥处理。
进一步的，所述S200设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
其中加工参数包括结构尺寸参数及激光制造参数。
进一步的，所述结构尺寸参数包括长度，调整范围为0.01-500mm，宽度，调整范围为0.01-500mm。
6.根据权利要求4所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：所述S400设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
其中，加工参数包括：
激光功率，调整范围为0.1-1500W；
激光光斑直径，调整范围为0.001-10mm；
扫描速度，调整范围为40-5000mm/s；
脉冲重复频率，调整范围为0.01-1000kHz；
加工次数，调整范围为1-10000次，
填充方式为，调整范围包括往返型填充和圆形填充。
进一步的，所述S200设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
其中，设定的加工环境包括样品放置于溶液、空气和惰性气体气氛中进行加工。
由上述技术方案可知，本发明的基于声波监测的激光制造过程调控方法，在加工过程中，通过在线监测激光加工过程中的光声信号，并基于光声信号特征实时反馈调节激光加工参数，实现一种简单、高效、可靠和可控的激光制备过程控制方法。
相较于传统的制造方法，本发明的有益效果如下：
1、重复性高，环保污染，可实现几乎任何材料的制造加工；
2、基于光声信号监测可实时监测激光制造异常，快速调控优化激光加工参数，可实现高效和高质量激光加工。
附图说明
图1是本发明的基于光声监测的激光制造过程在线监测结构示意图；
图2是本发明的调控方法的流程示意图；
图3本发明基于声波监测的激光制造过程调控流程图；
图4(a)均匀规整的微槽及其对应的声波信号和(b)具有重铸等缺陷的不规整微槽及其对应的声波信号。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1、图2及图3所示，本实施例所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，基于光声监测的激光制造在线监测结构，所述光声监测的激光制造过程调控在线监测结构包括激光加工系统、待加工试样、声信号测量系统和数据采集和控制系统，所述激光加工系统包括纳秒激光器和扫描振镜；所述声信号测量系统包括声传感器和频谱分析仪；
首先激光加工系统加工试样，采用声信号测量系统测量声信号并连接数据采集和控制系统，随后连接激光加工系统；
其中，光声信号包括实时测量声信号的频率、信噪比、抖动方式和稳定性；声波探测器包括采用麦克风和压电陶瓷；声波信号分析设备包括示波器和频谱分析仪。
调控步骤包括：
S100、对待加工样品进行预处理；
S200、设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
S300、通过信号测量系统测量待加工样品在加工过程中产生的光声信号，并通过数据采集与系统控制装置在线监测激光制造过程中产生的光声数据，并依据光声信号特征实时反馈优化激光加工参数，直至加工结束。
其中，S100中加工样品包括陶瓷材料和金属材料；所述预处理包括水清洗、乙醇清洗和风干处理；
所述S200中加工参数包括结构尺寸参数及激光加工参数；所述尺寸参数包括长度，调整范围为0.01-500mm，宽度，调整范围为0.01-500mm。
加工参数还包括：
激光器类别，包括连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光持续时间从毫秒到飞秒；
激光功率，调整范围为0.1-1500W；
激光光斑直径，调整范围为0.001-10mm；
扫描速度，调整范围为40-5000mm/s；
脉冲重复频率，调整范围为0.01-1000kHz；
加工次数，调整范围为1-10000次，
填充方式为，调整范围包括往返型填充和圆形填充。
S200中设定的加工环境包括包括样品放置于溶液、空气和惰性气体气氛中进行加工。
结合图4，以下具体举例说明：
本实施例的调控方法具体为基于光声监测的ZrO2激光微槽加工方法：
步骤一、采用乙醇清洗ZrO2样片并风干。
步骤二、在控制系统中设计激光加工工艺参数，包括设置尺寸参数及激光加工参数(包括激光器和扫描振镜参数)，将样片浸入0.1mol/LMgCl2水溶液中，开始加工。
步骤三、采用声测量系统在线监测加工过程中产生的光声信号，并依据光声信号特征利用数据采集和控制系统实时调整激光加工参数(包括激光器和扫描振镜参数)，直至结束。
本实验案例中，步骤一所述用乙醇清洗的乙醇浓度为95％。
步骤二所述尺寸参数为槽宽为0.05mm，槽长为5mm，槽间隔为0.5mm。
步骤二所述激光加工参数为为纳秒脉冲激光，激光波长为1064nm，光斑直径为30um，激光功率为35W，激光扫描速度为200mm/s，扫描次数40次。
步骤三所述光声信号特征为图3所述的光信号信噪比和稳定性，所述调控优化激光加工参数为调控优化激光功率、扫描速度和扫描次数。
综上可知，本发明实施例在加工过程中，通过在线监测激光加工过程中的光声信号，并基于光声信号特征实时反馈调节激光加工参数，实现一种简单、高效、可靠和可控的激光制造方法。本发明实施例有望应用于规整结构和良好组织性能的高效和高品质加工。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于声波监测的激光制造过程调控方法，基于光声监测的激光制造过程在线监测结构，所述光声监测的激光制造过程在线监测结构包括激光加工系统；
其特征在于：
还包括声信号测量系统、数据采集与系统控制装置，所述声信号测量系统、激光加工系统分别与数据采集与系统控制装置连接；
其中，所述调控方法包括以下步骤：
S100、对待加工样品进行预处理；
S200、设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
S300、通过信号测量系统测量待加工样品在加工过程中产生的光声信号，并通过数据采集与系统控制装置在线监测激光制造过程中产生的光声数据，并依据光声信号特征实时反馈优化激光加工参数，直至加工结束。
2.根据权利要求1所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：所述S100对待加工样品进行预处理；
其中，加工样品包括陶瓷材料和金属材料。
3.根据权利要求2所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：所述S100对待加工样品进行预处理；
其中预处理包括超声清洗处理和无水乙醇清洗、水洗和表面干燥处理。
4.根据权利要求2所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：所述S200设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
其中加工参数包括制造构件结构尺寸参数及激光加工参数。
5.根据权利要求4所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：
所述结构尺寸参数包括结构长度，调整范围为0.01-500mm，宽度，调整范围为0.01-500mm。
6.根据权利要求4所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：所述S200设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
其中，加工参数包括：
激光器类别，包括连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光持续时间从毫秒到飞秒；
激光功率，调整范围为0.1-1500W；
激光光斑直径，调整范围为0.001-10mm；
扫描速度，调整范围为40-5000mm/s；
脉冲重复频率，调整范围为0.01-1000kHz；
加工次数，调整范围为1-10000次，
填充方式为，调整范围包括往返型填充和圆形填充。
7.根据权利要求1所述的基于声波监测的激光制造过程调控方法，其特征在于：所述S200设置待加工样品的加工参数，在设定加工环境条件下通过激光加工系统进行激光加工；
其中，设定的加工环境包括样品放置于溶液、空气和惰性气体气氛中进行加工。
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