CN112809207A - 一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到激光加工装置领域，尤其涉及一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其中两聚焦超声振子通过卡环分别固定在各自支架的弧形槽中，可以沿弧形槽及卡环紧固轴转动，以调整两束聚焦超声相对于激光加工熔池的角度；两支架安装在带弧形槽的安装板上，其中，固定聚焦超声振子支架与安装板紧固连接，并与激光头紧固连接，实现装置与激光头同步运动；移动聚焦超声振子支架末端安装在安装板的弧形槽中，以调整两聚焦超声振子之间的夹角，实现可变角度的二维超声辅助激光加工。上述装置能够实现多角度一维和二维聚焦超声辅助激光加工，配合送粉器、熔渣吹(吸)机构等可以用于激光熔覆、激光切割、激光打孔等多种类型激光加工。

Description

一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置

技术领域

本发明涉及到激光加工装置领域，尤其涉及一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着激光器和控制技术的发展，激光加工已经发展出了激光切割、激光打孔、激光熔覆、激光焊接、激光表面改性等一系列技术，应用于航空航天、汽车、模具等众多领域。激光加工技术大多依靠激光的高能量来熔化工件材料，进而实现材料去除、连接或组分更改，不可避免得会形成熔覆层。在激光切割、打孔中，熔覆层会吸收激光，降低激光加工效率和精度；在激光熔覆、焊接和表面改性中，熔覆层晶粒容易过分粗大，降低表层性能；此外，熔覆层还容易出现残余拉应力、气孔和裂纹等缺陷。熔覆层的存在已经成为限制激光加工技术大力推广和应用的瓶颈之一。

目前国内外学者已采用外加的超声振动能场来解决激光加工技术中存在的熔覆层问题，尤其是在激光熔覆过程中，已经设计出具体的超声振动辅助装置，可以分为两大类：

第一类如在专利CN 201310415092.5和CN 201610114914.X中公开的方式，是将超声振动源施加于工件底部或侧面，使工件振动而影响熔池。但是，激光熔池是一微小区域，由工件传来的振动作用并不明显，而且工件体积及质量越大，超声振动的效果越不明显，难以应用于大型零部件的激光加工；此外，工件的振动将影响激光聚焦效果，进而降低激光加工的质量。

另一类如在专利CN 201611042347.8和CN 201610290848.1中公开的方式，其是将振子直接作用于激光熔池，不受工件体积及质量的限制。但是，激光熔池尺寸非常小，直径为几毫米，而熔池温度特别高，超声振子必须与熔池保持一定距离，依靠空气传来的振动作用较弱，效果不够明显。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，可以高效、高精度地向激光加工熔池提供可变角度的一维和二维高强度超声振动，在激光切割、打孔中可以辅助剥离熔覆层和熔渣，使其更易被去除，提高激光加工效率和精度；在激光熔覆、焊接和表面改性中，可以有效控制熔覆层残余应力、晶粒尺寸等，提高激光加工质量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置；包括安装板、移动支架、固定支架、第一聚焦超声振子、第二聚焦超声振子、夹具等。

所述的固定支架固定在安装板底部；

所述移动支架安装在安装板底部，可相对于安装板移动；移动支架所在的平面、固定支架所在的平面以及安装板所在的平面两两相互垂直；

所述的第一聚焦超声振子安装在固定支架上，且其在固定支架上的位置可以调整；

所述的第二聚焦超声振子安装在移动支架上，且其在移动支架上的位置可以调整。

上述的第一、第二聚焦超声振子通过卡环分别固定在各自支架上，均可利用前端的聚焦球面将超声波聚集到焦点上，两聚焦超声振子的焦点位置重合；所述支架分固定支架和移动支架，固定支架紧固在安装板上，并通过夹具与激光头紧固连接，移动支架尾端安装在安装板的弧形槽中；两个支架均带有弧形槽，弧形槽上安装卡环。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明设计的多自由度聚焦超声辅助激光加工方法及装置利用聚焦超声，可以在焦点处提供更强的超声振动；

(2)本发明设计的多自由度聚焦超声辅助激光加工方法及装置可以产生不同角度的一维和二维超声振动，增强超声辅助效果；

(3)本发明设计的多自由度聚焦超声辅助激光加工方法及装置配合送粉机构、熔渣吹(吸)机构等可以用于激光熔覆、激光切割、激光打孔等多种类型激光加工，适用范围广。

(4)本发明设计的多自由度聚焦超声辅助激光加工方法及装置结构简单可靠、操作方便、寿命长。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置的结构示意图。

图2为本发明根据一个或多个实施方式的卡环的结构示意图；

图3为本发明根据一个或多个实施方式的固定支架的结构示意图；

图4为本发明根据一个或多个实施方式的移动支架的结构示意图；

图5为本发明根据一个或多个实施方式的安装板和移动支架之间的连接示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。1-安装板、2-移动支架、3-移动聚焦超声振子、4-卡环、5-夹具、6-激光头、7-工件、8-固定支架、9-固定聚焦超声振子、10-紧固轴、11-卡环底板、12-卡环扣板、13-紧固螺栓、14-定位轴、15-定位杆、16-弧形槽、17-移动定位轴、18-弧形槽、19-固定定位轴、20-螺母、21-螺母。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置。

实施例1：

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例公开了一维聚焦超声辅助激光切割装置，由安装板1、移动支架2、移动聚焦超声振子3、卡环4、夹具5、激光头6、固定支架8和固定聚焦超声振子9构成，该装置可以配合熔渣吹(吸)机构使用。其中：安装板1的底部安装移动支架2和固定支架8，在固定支架上通过卡环安装固定聚焦超声振子9，在移动支架2上通过卡环固定移动聚焦超声振子3，且激光头6通过夹具5固定在固定支架8上。且本装置中移动支架2所在的平面与固定支架8所在的平面以及安装板1所在的平面相互垂直。

下面对该结构进行具体说明：

上述的安装板1为一个平面板，在其上设有一个弧形槽，本实施例中，平面板为一个矩形板，在矩形板的其中两个对角位置设置一个弧形槽，该弧形槽与移动支架2配合，实现移动支架相对于安装板的移动。

上述的移动支架2的结构如图4所示，其包括本体，本体的顶部设有移动定位轴17和固定定位轴19，在本体上设有弧形槽18。其中，固定定位轴19作为移动支架2的回转轴；移动定位轴17用于确定移动支架2绕固定定位轴19转动的角度；弧形槽18用于通过卡环4安装移动聚焦超声振子3。移动支架2可以通过卡环4带动移动聚焦超声振子3改变位置，从而改变与固定聚焦超声振子9之间的夹角，进而在工件7的熔池内产生不同的椭圆超声振动轨迹。进一步的，其中本体为一个板状结构。

上述移动支架与安装板之间的连接方式参考图5，具体的：移动支架上的固定定位轴19插入安装板1的定位孔(定位孔中心即为安装板弧形槽的圆心)中，并由螺母21紧固；移动定位轴17安装在安装板1的弧形槽中，由螺母20紧固；松开螺母20和21，即可使移动定位轴17沿安装板1的弧形槽、绕定位孔中的固定定位轴19转动。到达指定位置后，锁紧螺母20和21即可。

上述固定支架8的结构如图3所示，其包括一个本体，本体顶部设置定位轴14；本体上有定位杆15和弧形槽16。其中，定位轴14分前后两个，其上带螺纹，插入安装板1的定位孔中后由螺母紧固，实现固定支架8和安装板1的紧固联接。定位杆15用于安装激光头6，确保聚焦超声焦点与激光熔池位置的同步性。其中定位杆可以与本体一体成型，或者单独焊接，具体的根据实际需要进行设置。进一步的，其中本体为一个板状结构。

固定支架8上设置有用以安装卡环4的弧形槽16，卡环4安装在弧形槽内，且卡环4可以沿着弧形槽移动；在卡环4移动到弧形槽16的任一位置时，卡环4可以固定在对应的位置；这么设计的目的主要是使卡环4可以带动固定聚焦超声振子9改变位置；进一步的，同时，卡环4可以绕其紧固轴转动，带动固定聚焦超声振子9改变相对于工件7的角度，在保证聚焦超声焦点与激光熔池位置同步性的基础上，可以改变熔池所受超声振动的方向。

上述的卡环4的结构如图2所示，其包括紧固轴10、卡环底板11、卡环扣板12、紧固螺栓13。其中，卡环底板11和卡环扣板12相对安装，由紧固螺栓13联接固定，卡环底板11和卡环扣板12组合形成一个中部空心的板状结构，该中心用于安装超声振子。卡环底板11背面固定有带螺纹的紧固轴10，与支架上的弧形槽配合，且紧固轴10可以与螺母配合，由螺母将其紧固。

进一步的，固定支架8通过夹具5与激光头6紧固连接，以实现装置与激光头6同步运动，保证聚焦超声焦点与激光熔池位置的同步性。

应用时，断开移动聚焦超声振子3的电源，调整固定聚焦超声振子9相对于激光头6的位置和角度，使聚焦超声焦点位于工件7表面的激光熔池内，带动材料去除产生的熔渣作一维超声振动，使其与工件7分离，从而被侧面的熔渣吹(吸)机构吹走或吸走。

实施例2：二维聚焦超声辅助激光熔覆

装置安装方式不变，配合送粉器使用，调整移动聚焦超声振子3至所需角度后，将移动支架2紧固在安装板1上。

应用时，利用送粉器向工件7表面的激光熔池内输送粉末，同时利用移动聚焦超声振子3和固定聚焦超声振子9带动熔池内材料作二维超声振动，最终冷却后形成表面形貌良好、无应力、无裂纹、晶粒尺寸均匀细小的熔覆层。

本发明中的实施例1、实施例2仅仅是针对上述一套设备的两种使用方式。

进一步需要说明的是，上述的固定聚焦超声振子9和移动聚焦超声振子3的结构相同，在固定聚焦超声振子9和移动聚焦超声振子3的前端均具有一个聚焦球面，该聚焦球面将超声波聚集到焦点上，两聚焦超声振子的焦点位置可以通过调节移动支架实现重合。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多自由度聚焦超声辅助激光加工装置；其特征在于，包括安装板、移动支架、固定支架、第一聚焦超声振子、第二聚焦超声振子；

所述的固定支架固定在安装板底部；

所述移动支架安装在安装板底部，可相对于安装板移动；移动支架所在的平面、固定支架所在的平面以及安装板所在的平面两两相互垂直；

所述的第一聚焦超声振子安装在固定支架上，且其在固定支架上的位置可以调整；

所述的第二聚焦超声振子安装在移动支架上，且其在移动支架上的位置可以调整。

2.如权利要求1所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述的安装板上设有一个弧形槽，所述的移动支架通过连接件安装在弧形槽内，且可沿着弧形槽移动。

3.如权利要求1所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述的固定支架包括一个本体，在本体的顶部设有定位轴，所述定位轴上带螺纹，插入安装板的定位孔中后由螺母紧固；本体上设有弧形槽和定位杆，所述定位杆用于安装激光头。

4.如权利要求3所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述的第一聚焦超声振子通过第一卡环安装在弧形槽内。

5.如权利要求4所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述的第一卡环包括紧固轴、卡环底板、卡环扣板、紧固螺栓，卡环底板和卡环扣板相对安装，由紧固螺栓联接固定，且两者组合在一起形成一个中部空心孔，该孔用于安装超声振子；卡环底板背面固定有带螺纹的紧固轴，与固定支架上的弧形槽配合，并由螺母将其紧固。

6.如权利要求1所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述移动支架包括本体，在本体的顶部设有移动定位轴和固定定位轴，本体上设置弧形槽；所述的固定定位轴作为移动支架的回转轴，与安装板相连；移动定位轴用于确定移动支架绕固定定位轴转动的角度，移动定位轴位于安装板的弧形槽内。

7.如权利要求6所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述的第二聚焦超声振子通过第二卡环安装在移动支架上。

8.如权利要求7所述的多自由度聚焦超声辅助激光加工装置，其特征在于，所述的第二卡环包括紧固轴、卡环底板、卡环扣板、紧固螺栓，卡环底板和卡环扣板相对安装，由紧固螺栓联接固定，且两者组合在一起形成一个中部空心孔，该孔用于安装超声振子；卡环底板背面固定有带螺纹的紧固轴，与移动支架上的弧形槽配合，并由螺母将其紧固。

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