CN113146078B - 一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置、方法，属于特种加工中激光水下加工技术领域，包括超短脉冲激光水下加工单元、三向观测单元、液流循环单元、射流辅助单元、干风吹扫单元、超声振动单元和多能场控制单元，所述多能场控制单元处理气泡图像，调节液流循环单元、射流辅助单元、干风吹扫单元、超声振动单元参数，以达到气泡消除的最优态，以适应各种材料、不同激光加工参数下的超快激光水下微细加工。本发明精准观测激光水下加工气泡，利用流场‑声场的多能场耦合作用高效消除气泡，实现超短脉冲激光诱导等离子体高精度低损伤的微细加工。

Description

一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置、方法

技术领域

本发明属于特种加工中激光水下加工技术领域，更具体地，涉及一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置、方法。

背景技术

在航空航天领域，超高温陶瓷复合材料是制造高超声速飞行器零部件的常用材料，其强度高、耐温高、热导率高，拥有广泛的应用前景，但超高温陶瓷符合材料硬脆性大，传统加工方法难以加工。

超短脉冲激光水下加工通过皮秒或飞秒级激光聚焦至液体介质中，诱导产生高温等离子体，通过等离子体的热能和机械能作用在材料表面进行微细加工，由于其脉宽小，热累积现象不明显，工件热影响区小，这种工艺在液态环境下进行加工有两大优势：一是利用液体介质及时地冲刷加工区域，避免过热，进一步减轻热影响，防止产生大的内应力，提高表面质量，减少裂纹，有利于超高温陶瓷材料、玻璃等硬脆性材料加工；二是相比在空气中加工，可防止加工表面在高温条件下被迅速氧化，破坏已加工表面。

超短脉冲激光水下加工可用于加工超高温陶瓷复合材料，然而由于高温等离子体会导致加工区域的液体介质或熔融材料迅速升温汽化，产生大量气泡。气泡沿着激光光路方向的移动会使激光散焦，导致加工不稳定，加工微结构宽度、深度不均匀，同时气泡在加工区域附近的膨胀、收缩、破裂等动态行为会引起流场发生变化，并伴随着强烈冲击波作用在加工表面，增大表面粗糙度，显著降低表面的质量。

因此，亟待开发一种激光水下加工气泡观测与消除装置及方法，减小气泡对超短脉冲激光水下加工的不利影响，提高加工性能的稳定性以及微结构表面质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置、方法，其目的在于将液流循环单元、射流辅助单元、超声振动单元有机组合在一起，利用流场-声场的多能场耦合作用高效消除气泡，由此解决现有技术中超短脉冲激光水下加工过程中产生的气泡导致加工不稳定的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，该装置包括三向观测单元、多能场控制单元、液流循环单元、射流辅助单元和超声振动单元；

所述液流循环单元设置于加工容器的底部，其用于使液体介质以定常流速注入至所述加工容器中并浸没工件表面，进而在所述工件表面形成流动层；所述超声振动单元设置于所述加工容器内，其用于产生超声振动并作用于所述流动层以抑制工件加工时气泡的产生；

所述射流辅助单元设置于所述加工容器内并指向工件加工区域，所述射流辅助单元用于喷射出液层以清除加工区域的气泡；

所述三向观测单元设置于所述加工容器外部，通过设置于所述加工容器底部的透明视窗以观测水下工件加工区域气泡的动态行为；所述多能场控制单元用于根据所述三向观测单元所观测气泡的动态行为调节所述液流循环单元、超声振动单元、射流辅助单元的控制参数。

进一步地说明，针对浸液式加工，液体介质通过所述液流循环单元以定常流速注入到所述加工容器中并浸没工件表面，在工件表面形成1mm以上的流动薄水层，以减少工件加工区域的气泡冲击与残渣重铸；针对冲液式加工，从射流辅助单元喷射出1mm的超薄高速液层，迅速清除加工区域气泡。

进一步地说明，激光加工过程根据待加工材料类型采用合适粘度和溶解度的液体介质，以降低气泡产生的概率。

进一步地说明，所述透明视窗为透明玻璃视窗，所述透明视窗设置于所述加工容器的两个壁面。

优选地，所述三向观测单元包括聚焦光源、第一相机、反射薄膜、一对旋转圆盘和一对滑行机构；

所述反射薄膜贴覆于所述加工容器的内壁，用于反射所述聚焦光源照射至所述加工容器内的光线；所述滑行机构设置于所述旋转圆盘上，所述聚焦光源和所述第一相机分别安装于所述滑行机构；所述滑行机构用于使所述聚焦光源和/或所述第一相机沿靠近或远离所述加工容器的方向水平移动，所述旋转圆盘用于分别调节所述聚焦光源和/或所述第一相机的角度，从而改变所述聚焦光源的照射方向和/或所述第一相机的拍摄方向。

进一步地说明，所述聚焦光源为强聚焦光源，所述第一相机为高速相机。

进一步地说明，所述加工容器底面下部内置加热器，使液体介质和工件达到一定温度，以去除溶解于液体介质和隐藏在材料内部微孔中的气泡，并起到减小液体粘度的作用，促进液体介质流动以避免气泡聚集，在所述加工容器内布置无线式温度传感器、压力传感器，实时监测流域温度场、压力场的变化。

进一步地说明，所述三向观测单元中的聚焦光源与第一相机各有两台，每一对聚焦光源与第一相机分别用于X轴与Y轴方向观测；所述滑行机构包括滑块和导轨，聚焦光源与第一相机安装在滑块上，滑块在滑轨上的移动带动聚焦光源或第一相机水平移动。

进一步地说明，所述旋转圆盘在直线电机动作下可调节角度，从而改变聚焦光源的照射方向与第一相机的拍摄方向。

优选地，所述聚焦光源包括激光头，在所述激光头的一侧设有第二相机，所述第二相机通过铰接头与所述聚焦光源连接，所述铰接头用于改变所述第二相机的拍摄角度；在所述第二相机的头部设有环状强光源，所述环状强光源用于照射在加工工件表面以提高所述工件表面亮度，从而使所述第二相机清晰拍摄气泡图像。

进一步地说明，所述第二相机为CCD相机，CCD相机可通过铰接头改变拍摄角度，在满足光强条件下尽可能调大高速相机和CCD相机帧率，以便后期图像处理的分析计算。

优选地，所述液流循环单元包括多孔板，所述多孔板设置于所述加工容器内的壁面底部；

所述多孔板上均匀分布用于使液体介质减缓液流速度的通孔，且相邻两列通孔之间设有转向叶片，所述转向叶片朝向所述加工容器内部设置，其用于使所述液体介质按特定方向流入所述加工容器内部。

进一步地说明，流入所述加工容器内部的液体介质经加工容器其他壁面底部的集污排放口排出，利用水泵使液体介质持续稳定工作，通过调节转向叶片改变流域状态，使液体介质朝着激光扫描方向反向稳定流动，及时冲走加工过程中产生的气泡。

优选地，所述超声振动单元包括多触点超声振动器、环状振动板和超声发生器；所述超声发生器分别与所述多触点超声振动器和所述环状振动板电连接，所述多触点超声振动器设置于所述加工容器内壁，其用于接收超声波后产生超声振动并作用于液体介质以改变所述液体介质的流域状态，从而抑制气泡的产生；所述环状振动板设置于所述加工容器的转角底部，所述环状振动板内部集成超声换能器，其用于使途径所述加工容器转角处的气泡受到超声作用后破裂。

优选地，所述多触点超声振动器的上部为换能器，其下部为超声振动头，所述超声振动头包括多个触点，用于发出多个超声波，通过改变所述超声振动头的振动功率和频率从而适应不同材料的工件材料以消除不同尺寸和化学成分的气泡。

优选地，所述射流辅助单元包括射流喷嘴组件和垂向导轨；所述垂向导轨设置于所述加工容器内的转角处，所述射流喷嘴组件的一端指向所述加工容器的材料加工区域，其另一端安装于所述垂向导轨内；所述射流喷嘴组件可沿垂直方向上下移动以满足不同高度的工件表面激光加工。

进一步地，所述射流喷嘴组件上部设有输水孔，所述输水孔通过外接软管与水泵相连。

优选地，还包括干风吹扫单元，所述干风吹扫单元设置于所述加工容器内，其用于吹除上浮至液体介质分界面处的气泡和/或工件表面残留气泡。

优选地，所述干风吹扫单元包括环状杆件、升降式环形移动扣件、鼓风机和压力计；

所述环状杆件设置于所述加工容器内的转角处，其上部设有进风口，所述鼓风机与所述进风口连通，所述压力计设置于连通处，用于实时检测气流压力；所述环状杆件的侧壁上设有多节第一出风孔段，所述升降式环形移动扣件设置于所述环状杆件上且其侧壁设有与所述环状杆件第一出风孔段相适配的第二出风孔段；所述升降式环形移动扣件可沿所述环状杆件上下移动，用于调节出风口的高度；在所述第二出风孔段设有转动板，所述转动板可上下调节进而改变扫风高度，以使扫风方向与液体介质分界面或工件表面相切。

进一步地，所述第二出风孔段的纵向长度略大于所述第一出风孔段的纵向长度；所述升降式环形移动扣件沿环状杆件上下移动，从而调节出风口的高度，且只有当升降式环形移动扣件与环形杆件上的一节出风孔段刚好重合时，出风口才开启，而此时其他出风口处于锁定闭合状态。

进一步地说明，所述多能场控制单元中的多能场控制箱获取各单元传感器(温度传感器、压力传感器等)数据，实时监控气泡消除装置以保证气泡得以有效去除，并对高速相机和CCD相机收集到的气泡图像进行灰度处理、二值化、填充、腐蚀、标定、坐标排序等操作，以测量气泡大小，统计气泡产生和爆炸数目，并基于光流法计算出气泡沿激光扫描方向的前后运动速率以及上浮速率，基于图像处理结果，调节液流循环单元、射流辅助单元、干风吹扫单元、超声振动单元的多能场辅助参数，以达到气泡消除的最有态，通过调节气泡消除的工艺参数，以适应各种材料、不同激光加工参数下的超快激光水下微细加工，并将工艺参数组合自动保存至多能场控制单元内部数据库。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于激光水下加工的气泡观测与消除方法，该方法具体包括以下步骤，

启动三向观测单元，拍摄激光扫描方向上的气泡动态行为，并将图像数据传输至多能场控制单元，以完成对气泡的观测；

多能场控制单元分析处理所述图像数据后进行反馈调节，当采用浸液式加工时，启动所述液流循环单元和所述超声振动单元，利用水流和声流移除加工区域的气泡；采用冲液式加工时，启动所述射流辅助单元，通过喷射液层以清除加工区域的气泡；

启动干风吹扫单元根据浸液式加工或冲液式加工方式，分别吹除上浮至液体介质分界面处的气泡或工件表面残留气泡，从而完成对激光水下加工时产生气泡的消除。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，通过将液流循环单元、超声振动单元、射流辅助单元有机结合在一起，利用流场-声场的多能场耦合作用高效消除气泡，有助于采用超短脉冲激光诱导等离子体微细加工超高温陶瓷复合材料、玻璃等硬脆性材料，提高加工的精度和稳定性以及提高了工件表面的加工质量。

2、本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置可根据不同尺寸和结构的材料，选择浸液式加工或冲液式加工方法，通过两条气泡消除路径实现广范围的微细加工。

3、本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除方法，将气泡观测和气泡消除紧密结合，利用多能场控制单元对三向观测单元的气泡动态行为图像进行处理，实时监测并反馈调节液流循环单元、射流辅助单元、干风吹扫单元、超声振动单元的多能场辅助参数，以达到气泡消除的最优态，通过调节气泡消除的工艺参数，以适应各种材料、不同激光加工参数下的超快激光水下微细加工。

附图说明

图1是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置的结构示意图；

图2是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置的结构示意图；

图3是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置的结构俯视图；

图4是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中三向观测单元的结构示意图；

图5是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中聚焦光源的结构示意图；

图6是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中液流循环单元局部结构示意图；

图7是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中射流辅助单元的结构示意图；

图8是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置的局部结构示意图；

图9是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中干风吹扫单元的结构示意图；

图10是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中干风吹扫单元转动板的结构示意图；

图11是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置中多触点超声振动器的结构示意图；

图12是本发明提出的用于激光水下加工的气泡观测与消除方法的工作流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-超短脉冲激光器；2-光路模块；3-加工容器；4-聚焦光源；5-第一相机；6-第二相机；7-铰接头；8-旋转圆盘；9-滑行机构；10-多孔板；11-转向叶片；12-集污排放口；13-水泵；14-射流喷嘴组件；15-垂向导轨；16-环状杆件；17-升降式环形移动扣件；18-转动板；19-进风口；20-鼓风机；21-多触点超声振动器；22-环状振动板；23-超声发生器；24-多能场控制单元；25-透明视窗；26-激光头；27-直线电机；28-环状强光源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，针对激光水下的浸液式加工和冲液式加工产生的气泡影响，本发明将液流循环单元、超声振动单元和射流辅助单元集成于激光水下加工装置的加工容器3中，其中所述超声振动单元与所述液流循环单元通过流场-声场多长能耦合作用以消除浸液式加工过程中产生的气泡，所述射流辅助单元用于消除冲液式加工过程中产生的气泡。为了更好的消除气泡对加工过程中产生的影响，在所述加工容器3中还设置有干风吹扫单元，在浸液式加工和冲液式加工两种加工模式下可以有效消除气泡。

更进一步的说明，在所述加工容器3外部设有超短脉冲激光水下加工单元、鼓风机20、超声发生器23、水泵13和多能场控制单元24，所述超短脉冲激光水下加工单元用于向所述加工容器3中提供工件加工所需的激光光源，所述鼓风机20与所述干风吹扫单元连通，用于向其提供风能；所述水泵13分别与所述液流循环单元和所述射流辅助单元连通，用于提供消除气泡所需的液体；所述多能场控制单元用于调节所述液流循环单元、超声振动单元、射流辅助单元的控制参数。

具体的，请参阅图1、图2和图3，所述超短脉冲激光水下加工单元包括超短脉冲激光器1、光路模块2和加工容器3，所述超短脉冲激光器1发出的激光经所述光路模块2入射至水下诱导高温等离子体加工材料表面。

由于在激光水下加工过程中会产生气泡，在对气泡进行消除前，需要对气泡进行观测，本发明中在所述加工容器3的外部设置有三向观测单元，所述三向观测单元通过设置在所述加工容器3壁面的透明视窗25对加工过程中产生的气泡进行动态观测。

具体的，如图3、图4和图5所示，本发明的实施例中，所述三向观测单元设有两个，分别用于对X轴方向与Y轴方向进行观测。进一步地说明，所述三向观测单元包括聚焦光源4、第一相机5、第二相机6、铰接头7、旋转圆盘8、滑行机构9和直线电机27。所述直线电机27上设置有两个旋转圆盘8，所述直线电机27用以带动所述旋转圆盘8旋转以切换观测角度，所述旋转圆盘8沿其直径方向上分别安装有所述滑行机构9，所述滑行机构9包括滑块和滑轨，所述聚焦光源4和所述第一相机5分别安装于所述滑块上，并且可沿所述滑轨向靠近或远离所述加工容器3方向移动。

如图5所示，在所述聚焦光源4的激光头一侧，还设有所述第二相机6，所述第二相机6通过铰接头7连接于所述聚焦光源4，所述铰接头7可使所述第二相机6多角度转动，在所述第二相机6的头部安装有环状强光源28，所述环状强光源28照射在材料加工表面，调高亮度，有助于所述第二相机6捕捉高清晰度气泡俯视图像，所述第二相机6可通过所述铰接头7改变拍摄角度，在满足光强条件下尽可能调大所述第一相机5和所述第二相机6帧率，以便后期图像处理的分析计算。

更进一步的说明，本发明中所述聚焦光源4为强聚焦光源，所述第一相机5为高速相机，所述第二相机6为CCD相机。进一步地，在所述加工容器3内贴覆有反射薄膜，所述反射薄膜用于反射强聚焦光源照射至内壁上的光。

本发明的一个实施例中，针激光水下浸液式加工，所述液流循环单元用于使液体介质以定常流速注入至所述加工容器3中并浸没工件表面，进而在所述工件表面形成流动层，所述超声振动单元用于产生超声振动并作用于所述流动层以抑制工件加工时气泡的产生。

具体的，如图1、图2、图3和图6所示，所述液流循环单元设置于所述加工容器3的底部，所述液流循环单元由设置于所述加工容器3两个壁面的底部的多孔板10构成，所述多孔板10上均匀分布有一列列排布的通孔，且在相邻两列通孔之间设有转向叶片11，所述转向叶片11朝向所述加工容器3内部延伸设置。在加工容器3的其他壁面底部还设有集污排放口12。气泡消除过程中，所述液流循环单元的液体介质从所述加工容器3的两个壁面底部流进，穿过所述多孔板10以减缓液流速度，再经过所述转向叶片11按照特定方向流进所述加工容器3内部，随后所述液体介质经加工容器3其他壁面底部的所述集污排放口12排出，利用水泵13使液体介质持续稳定工作，通过调节所述转向叶片11改变流域状态，使液体介质朝着激光扫描方向反向稳定流动，及时冲走加工过程中产生的气泡。

更进一步的说明，如图1、图2、图3、图8和图11所示，所述液流循环单元通过流场进行气泡消除，而为了更进一步提高气泡消除的效率，本本发明实施例中还通过添加超声振动单元，通过声场进行气泡消除。具体的，所述超声振动单元包括多触点超声振动器21、环状振动板22和超声发生器23。其中，所述多触点超声振动器21的上部和下部分别为换能器和超声振动头，所述超声振动头包含多个微小触点，可以同时发出多个超声波，改变浸液式加工时的液体介质流域状态，抑制气泡的产生。所述环状振动板22安装在所述加工容器3的转角底部，吹扫到转角处的气泡受到所述环状振动板22表面微小超声头作用后迅速破裂，所述环状振动板22内部集成换能器，多触点超声振动器21、环状振动板22通过电缆与所述超声波发生器23连接，所述超声振动单元可以针对不同材料选择适合的超声振动功率和频率，以消除不同尺寸和化学成分的微气泡。

本发明的一个实施例中，针对激光水下冲液式加工，所述射流辅助单元喷出1mm的超薄高速液层，迅速清除加工区域气泡。

如图1、图2、图3和图7所示，所述射流辅助单元由射流喷嘴组件14和垂向导轨15构成。具体的，所述射流喷嘴组件14的一端指向材料加工区域，其另一端与所述垂向导轨15相连接，可沿着垂直方向上下移动，满足不同高度的工件表面激光加工，所述射流喷嘴组件14上部设有输水孔，通过外接软管与所述水泵13相连。

为了更好的对气泡予以消除，本发明的实施例还包括干风吹扫单元，所述干风吹扫单元与所述鼓风机20相连通，其用于及时吹除上浮至液体分界面处的微小气泡(浸液式加工)以及工件表面残留气泡(冲液式加工)，避免影响激光沿光路方向的正常传播。

具体的，如图1、图2、图3、图8、图9和图10所示，所述干风吹扫单元设置于所述加工容器3内，所述干风吹扫单元包括环状杆件16、升降式环形移动扣件17和压力计。所述环状杆件16的上部设有进风口19，所述压力计安装于所述鼓风机20与所述进风口19的连通处，用于实时检测气流压力。更进一步的说明，所述环状杆件16的侧壁上具有多节第一出风孔段，所述升降式环形移动扣件17上同样布置大量第二出风孔段，所述第二出风孔段的纵向长度略大于所述第一出风孔段，所述升降式环形移动扣件17可沿着所述环状杆件16上下移动，从而调节出风口的高度，只有当所述第一出风孔段和所述第二出风孔段刚好重合时，出风口才开启，而其他的出风口处于锁定闭合状态。在所述升降式环形移动扣件17上还设置有转动板18，所述转动板18安装于所述升降式环形移动扣件17的每个第二出风孔段处，上下调节所述转动板18可以改变扫风的角度，使扫风方向与液体分界面(浸液式)或工件表面(冲液式)相切。

本发明提供的一个实施例中，所述加工容器3底面下部内置加热器，使液体介质和工件达到一定温度，以去除溶解于液体介质和隐藏在材料内部微孔中的气体，并起到减小液体粘度的作用，促进液体介质流动以避免气泡聚集，在所述加工容器3内布置无线式温度传感器、压力传感器，以实时监测流域温度场、压力场变化，激光加工过程根据待加工材料类型采用合适粘度和溶解度的液体介质，以降低气泡产生的概率。

本发明提供的一个实施例中，所述多能场控制单元中的多能场控制箱获取各单元传感器(温度传感器、压力传感器等)数据，实时监控气泡消除装置以保证气泡得以有效去除，并对高速相机和CCD相机收集到的气泡图像进行灰度处理、二值化、填充、腐蚀、标定、坐标排序等操作，以测量气泡大小，统计气泡产生和爆炸数目，并基于光流法计算出气泡沿激光扫描方向的前后运动速率以及上浮速率，基于图像处理结果，调节液流循环单元、射流辅助单元、干风吹扫单元、超声振动单元的多能场辅助参数，以达到气泡消除的最有态，通过调节气泡消除的工艺参数，以适应各种材料、不同激光加工参数下的超快激光水下微细加工，并将工艺参数组合自动保存至多能场控制单元内部数据库。

本发明的一个实施例提出了一种用于激光水下加工的气泡观测与消除的方法，该方法包括以下步骤：

S1，启动三向观测单元，拍摄激光扫描方向上的气泡动态行为，并将图像数据传输至多能场控制单元，以完成对气泡的观测；

S2，多能场控制单元分析处理所述图像数据后进行反馈调节，当采用浸液式加工时，启动所述液流循环单元和所述超声振动单元，利用水流和声流移除加工区域的气泡；采用冲液式加工时，启动所述射流辅助单元，通过喷射液层以清除加工区域的气泡；

S3，启动干风吹扫单元根据浸液式加工或冲液式加工方式，分别吹除上浮至液体介质分界面处的气泡或工件表面残留气泡，从而完成对激光水下加工时产生气泡的消除。

通过上述方法可以实现激光水下加工过程中的气泡精准观测和高效消除，具体的，如图1-12所示，在所述第一相机5和所述第二相机6的镜头前端贴上滤光片，启动所述三向观测单元，调节所述聚焦光源4照射方向和第一相机5拍摄方向，使聚焦光源4发出的光经过所述加工容器3内壁的反射薄膜反射后的光穿过激光诱导等离子体加工区域后正好入射第一相机5镜头，调节带有同轴环状强光源28的第二相机6拍摄角度，确保清晰拍摄激光扫描方向上的气泡动态行为。

气泡消除包括两条路径，一条路径即采用浸液式加工时，气动液流循环单元，调节所述转向叶片11的角度以及水泵13的流量，气动所述超声振动单元，调节超声波发生器23的电流大小、多触点超声振动器21的高度，利用水流和声流迅速移除加工区域大量气泡；另一条路径即采用冲液式加工时，调节所述射流喷嘴组件14在所述垂向导轨15上的高度、水泵13的流量，利用高速射流减少加工区域大量气泡。

启动干风吹扫单元，调节所述升降式环形移动扣件17的高度、所述转动板18的角度，使气泡能够被有效吹除。

待气泡消除后，气动超短脉冲激光水下加工单元，设置加热器加热温度，通过多能场控制单元设定合适的激光加工工业参数。

进一步地，所述三向观测单元的拍摄图像数据传输至所述多能场控制单元，分析处理后反馈所述液流循环单元、所述射流辅助单元、所述干风吹扫单元、所述超声振动单元，以尽可能多地消除气泡。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，该装置包括三向观测单元、多能场控制单元、液流循环单元、射流辅助单元和超声振动单元；

所述液流循环单元设置于加工容器(3)的底部，其用于使液体介质以定常流速注入至所述加工容器(3)中并浸没工件表面，进而在所述工件表面形成流动层；所述超声振动单元设置于所述加工容器(3)内，其用于产生超声振动并作用于所述流动层以抑制工件加工时气泡的产生；

所述射流辅助单元设置于所述加工容器(3)内并指向工件加工区域，所述射流辅助单元用于喷射出液层以清除加工区域的气泡；

所述三向观测单元设置于所述加工容器(3)外部，通过设置于所述加工容器(3)底部的透明视窗(25)以观测水下工件加工区域气泡的动态行为；所述多能场控制单元用于根据所述三向观测单元所观测气泡的动态行为调节所述液流循环单元、超声振动单元、射流辅助单元的控制参数；

所述超声振动单元包括多触点超声振动器(21)、环状振动板(22)和超声发生器(23)；所述超声发生器(23)分别与所述多触点超声振动器(21)和所述环状振动板(22)电连接，所述多触点超声振动器(21)设置于所述加工容器(3)内壁，其用于接收超声波后产生超声振动并作用于液体介质以改变所述液体介质的流域状态，从而抑制气泡的产生；所述环状振动板(22)设置于所述加工容器(3)的转角底部，所述环状振动板(22)内部集成超声换能器，其用于使途径所述加工容器(3)转角处的气泡受到超声作用后破裂。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，所述三向观测单元包括聚焦光源(4)、第一相机(5)、反射薄膜、一对旋转圆盘(8)和一对滑行机构(9)；

所述反射薄膜贴覆于所述加工容器(3)的内壁，用于反射所述聚焦光源(4)照射至所述加工容器(3)内的光线；所述滑行机构(9)设置于所述旋转圆盘(8)上，所述聚焦光源(4)和所述第一相机(5)分别安装于所述滑行机构(9)；所述滑行机构(9)用于使所述聚焦光源(4)和/或所述第一相机(5)沿靠近或远离所述加工容器(3)的方向水平移动，所述旋转圆盘(8)用于分别调节所述聚焦光源(4)和/或所述第一相机(5)的角度，从而改变所述聚焦光源(4)的照射方向和/或所述第一相机(5)的拍摄方向。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，所述聚焦光源(4)包括激光头(26)，在所述激光头(26)的一侧设有第二相机(6)，所述第二相机(6)通过铰接头(7)与所述聚焦光源(4)连接，所述铰接头(7)用于改变所述第二相机(6)的拍摄角度；在所述第二相机(6)的头部设有环状强光源(28)，所述环状强光源(28)用于照射在加工工件表面以提高所述工件表面亮度，从而使所述第二相机(6)清晰拍摄气泡图像。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，所述液流循环单元包括多孔板(10)，所述多孔板(10)设置于所述加工容器(3)内的壁面底部；

所述多孔板(10)上均匀分布用于使液体介质减缓液流速度的通孔，且相邻两列通孔之间设有转向叶片(11)，所述转向叶片(11)朝向所述加工容器(3)内部设置，其用于使所述液体介质按特定方向流入所述加工容器(3)内部。

5.根据权利要求1所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，所述多触点超声振动器(21)的上部为换能器，其下部为超声振动头，所述超声振动头包括多个触点，用于发出多个超声波，通过改变所述超声振动头的振动功率和频率从而适应不同材料的工件材料以消除不同尺寸和化学成分的气泡。

6.根据权利要求1所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，所述射流辅助单元包括射流喷嘴组件(14)和垂向导轨(15)；所述垂向导轨(15)设置于所述加工容器(3)内的转角处，所述射流喷嘴组件(14)的一端指向所述加工容器(3)的材料加工区域，其另一端安装于所述垂向导轨(15)内；所述射流喷嘴组件(14)可沿垂直方向上下移动以满足不同高度的工件表面激光加工。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，还包括干风吹扫单元，所述干风吹扫单元设置于所述加工容器(3)内，其用于吹除上浮至液体介质分界面处的气泡和/或工件表面残留气泡。

8.根据权利要求7所述的一种用于激光水下加工的气泡观测与消除装置，其特征在于，所述干风吹扫单元包括环状杆件(16)、升降式环形移动扣件(17)、鼓风机(20)和压力计；

所述环状杆件(16)设置于所述加工容器(3)内的转角处，其上部设有进风口(19)，所述鼓风机(20)与所述进风口(19)连通，所述压力计设置于连通处，用于实时检测气流压力；所述环状杆件(16)的侧壁上设有多节第一出风孔段，所述升降式环形移动扣件(17)设置于所述环状杆件(16)上且其侧壁设有与所述环状杆件(16)第一出风孔段相适配的第二出风孔段；所述升降式环形移动扣件(17)可沿所述环状杆件(16)上下移动，用于调节出风口的高度；在所述第二出风孔段设有转动板(18)，所述转动板(18)可上下调节进而改变扫风高度，以使扫风方向与液体介质分界面或工件表面相切。

9.一种基于权利要求8所述的用于激光水下加工的气泡观测与消除装置的气泡观测与消除方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤，

启动三向观测单元，拍摄激光扫描方向上的气泡动态行为，并将图像数据传输至多能场控制单元，以完成对气泡的观测；

多能场控制单元分析处理所述图像数据后进行反馈调节，当采用浸液式加工时，启动所述液流循环单元和所述超声振动单元，利用水流和声流移除加工区域的气泡；采用冲液式加工时，启动所述射流辅助单元，通过喷射液层以清除加工区域的气泡；

启动干风吹扫单元根据浸液式加工或冲液式加工方式，分别吹除上浮至液体介质分界面处的气泡或工件表面残留气泡，从而完成对激光水下加工时产生气泡的消除。

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