CN113634872A - 一种激光加工腔体的在线监测加工方法以及系统 - Google Patents

一种激光加工腔体的在线监测加工方法以及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种激光加工腔体的在线监测加工方法及系统,包括以下步骤:利用激光加工系统对填充有防护填充材料的腔体进行加工,并采集待加工腔体出水口处的液体分子的含量;对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征;根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态;当待加工腔体的加工状态为进入激光辐照防护填充材料状态时,则反馈调控激光加工参数;利用调控后的激光加工参数对目标材料继续加工,直至修型完毕结束加工;本发明能够实现高质量的激光加工微孔的同时实现无后壁损伤的加工;同时能够实现激光加工过程中的实时监测与反馈以及解决腔体后壁的损伤问题。

Description

一种激光加工腔体的在线监测加工方法以及系统
技术领域
本发明属于激光加工过程监测及涡轮发动机叶片制造领域,特别是涉及一种激光加工腔体的在线监测加工方法以及系统。
背景技术
激光加工具有高加工精度、高加工质量、可加工任意材料、热影响小等多种特点。对于一些腔体呈中空结构,当激光束穿透前腔壁后,激光会直接穿过腔体并作用在后壁内表面,造成内表面受损甚至材料去除,即“后壁损伤”。后壁损伤会使得损伤处产生应力集中,这样的腔体在多种情况下不可使用,或者使得产品不能达到更好的使用效果,因此有待研究一种后壁防护技术。
当前的后壁防护技术主要采用腔体填充方式,即在腔体中填充一部分材料,以此减少或消除激光能量。然而该方式的防护效果有限,无法及时反馈防护状态,从而及时关闭激光加工以保证后壁无损;目前还无法实现狭小腔体的有效防护,因此需要进一步发展在线监测技术来实现加工过程中的实时反馈与控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光加工腔体的在线监测加工方法以及系统,解决了现有技术中存在上述不足。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
本发明提供的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,包括以下步骤:
步骤1,利用激光加工系统对填充有防护填充材料的腔体进行加工,并采集待加工腔体出水口处的液体分子的含量;
步骤2,对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征;
步骤3,根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态;当待加工腔体的加工状态为进入激光辐照防护填充材料状态时,则反馈调控激光加工参数;
步骤4,利用调控后的激光加工参数对目标材料继续加工,并根据得到的液体信号特征判断是否对激光加工参数进行调控;
步骤5,利用调控后的激光加工参数对目标材料进行修型,直至修型完毕结束加工。
优选地,步骤1中,所述防护填充材料包括水、防护材料粉末和石墨粉末。
优选地,步骤2中,对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征,具体方法是:
将单位时间内,液体分子的含量与时间的比值作为特征值;
将设定时间内,特征值的变化量与时间变化量的比值作为液体信号特征。
优选地,步骤3中,根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态,具体方法是:
当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且大于0时,则待加工腔体的加工状态为激光辐照在防护填充材料上。
优选地,步骤4中,根据得到的液体信号特征判断是否对激光加工参数进行调控,具体方法是:
当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且小于0时,则对激光加工参数进行调控。
优选地,步骤5中,利用调控后的激光加工参数对目标材料进行修型,直至修型完毕结束加工,具体方法是:
利用调控后的激光加工参数沿加工路径扫描加工两次,则完成修型,结束加工。
一种激光加工腔体的在线监测加工系统,包括激光加工单元、液体搅动器、数据采集单元和工程控制机,其中:
所述激光加工单元输出的激光作用在待加工腔体上。
所述待加工腔体的内腔中填充有呈冰冻状态的防护填充材料;
所述待加工腔体上开设有进水口和出水口,所述进水口和出水口分别与液体搅动器的出水口和进水口连接。
所述数据采集单元用于采集液体搅动器内液体中由激光加工而产生的液体分子的含量,并将采集到的液体分子的含量传输至工程控制机;
所述工程控制机用于根据接收到的液体分子的含量控制激光加工单元输出的激光加工参数。
优选地,所述激光加工单元包括激光器、光束传输系统和扫描振镜,其中,所述激光器输出的激光经过光束传输系统入射至扫描振镜,所述扫描振镜输出的激光作用在待加工腔体上。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,利用激光对填充了防护填充材料的腔体进行加工,以激光与防护材料作用时产生的新的特殊液体分子作为特征信号,判别激光加工过程中的腔体内壁的穿透状态,由此实现高质量的激光加工微孔的同时实现无后壁损伤的加工;本发明能够实现激光加工过程中的实时监测与反馈以及解决腔体后壁的损伤问题。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程图:
图2是本发明实施例的系统结构图;
其中,1.激光器,2.光束传输系统,3.扫描振镜,4.待加工腔体,5.防护填充材料,6.连接管道,7.液体搅动器,8.探测头,9.液体传感器,10.数据采集卡与信号放大器,11.工程控制机。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明进一步详细说明。
如图1所示,本发明提供的本发明提供的一种激光加工腔体的在线监测加工系统,包括激光器1、光束传输系统2、扫描振镜3、待加工腔体4、防护填充材料5、连接管道6、液体搅动器7、探测头8、液体传感器9、数据采集卡与信号放大器10和工程控制机11,其中:
所述激光器1输出的激光经过光束传输系统2入射至扫描振镜3,所述扫描振镜3输出的激光作用在待加工腔体4上。
所述待加工腔体4的内腔中填充有呈冰冻状态的防护填充材料5,所述防护填充材料包括水、石墨粉末与防护材料粉末,其中,加入水的目的为了将其余两种材料在冷冻状态下凝固在一起额作用;石墨粉末与防护材料粉末的加入量根据加工的需要有所增减
所述待加工腔体4上开设有进水口和出水口,所述进水口和出水口通过连接管道6分别与液体搅动器7的出水口和进水口连接。
所述液体搅动器7内设置有液体传感器9的探测头8,所述液体传感器9用于采集液体搅动器7内液体中由激光加工而产生的液体分子的含量,并将采集到的液体分子的含量经过数据采集卡和信号放大器10传输至工程控制机11。
所述工程控制机11用于根据接收到的液体分子的含量控制激光加工单元输出的激光加工参数。
所述激光器1为飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器或毫秒激光器。
所述液体传感器9也可以被液体分析仪装置替换,液体分析仪装置为红外光谱仪、液体分析仪、氨氮检测仪或自来水/污水检测仪。
所述液体传感器9为半导体液体传感器或电化学传感器。
本发明提供的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,包括以下步骤:
步骤1,将将纯二水和硫酸钙粉末、石墨粉末和水进行混合,之后作为防护填充材料填充至待加工腔体的空腔内,之后将待加工腔体的空腔进行封堵、冷冻,待防护填充材料凝固后,将待加工腔体的空腔解封并与液体搅动器7连通;防护填充材料用于阻隔激光能量以及其在与激光作用时产生液体分子;在本实施例中,该液体分子为硫元素;
步骤2,采用激光加工系统对填充了防护填充材料的待加工腔体进行加工;加工过程中,将液体搅动器7里的水进行持续的搅动,使得液体搅动器7内的循环水流入至待加工腔体的空腔内,且能够将待加工腔体空腔内激光加工后产生的液体分子随着循环水一起流动至液体搅拌器7中,同时,实时收集液体搅拌器7中由加工过程产生的液体分子的含量;
步骤3,对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征;
步骤4,根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态;当待加工腔体的加工状态为进入激光辐照防护填充材料状态时,则反馈调控激光加工参数;
步骤5,利用调控后的激光加工参数对目标材料继续加工,并根据得到的液体信号特征判断是否对激光加工参数进行调控;
步骤6,利用调控后的激光加工参数对目标材料进行修型,直至修型完毕结束加工。
具体地:
步骤3中,对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征,具体方法是:
将单位时间内,液体分子的含量与时间的比值作为特征值;
将设定时间内,特征值的变化量与时间变化量的比值作为液体信号特征。
步骤4中,根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态,具体方法是:
当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且大于0时,则待加工腔体的加工状态为激光辐照在防护填充材料上。
所述调控的激光加工参数包括激光加工功率、激光脉冲宽度、激光重频、激光加工焦点、激光光场分布、激光偏振态和激光加工环境。
步骤5中,根据得到的液体信号特征判断是否对激光加工参数进行调控,具体方法是:
当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且小于0时,则对激光加工参数进行调控。
步骤6中,利用调控后的激光加工参数对目标材料进行修型,直至修型完毕结束加工,具体方法是:
利用调控后的激光加工参数沿加工路径扫描加工两次,则完成修型,结束加工。
实施例1
具体方法包括:
步骤1:将纯二水合硫酸钙的粉末和石墨粉末一同混合并参入腔体内并加入很少量的水以保证在冰冻后能够将其冷凝到一起并且参入腔体的量要留有一定缝隙,由于水冷冻过后体积会膨胀而其他物体的体积会适当缩小,为了使得加工时腔体内部留有一丝水可以流动的空隙,故不要将防护填充物塞满,封闭两端端口且以待加工面的平行位置放置冷冻。
步骤2:将待加工的冷凝物件去封,并两端通过连通管道6接入液体搅动器7,并启动液体搅动器7,开始进行加工;
步骤3:通过置于液体搅动器7里的液体传感器9的探头8对搅动器7里的液体持续监测,其因为加工时产生的二氧化硫含量,并将数据收集后传递给电脑进行实时的监测和比较;
步骤4:在电脑中所用的监测模型为:
将单位时间内,液体分子的含量与时间的比值作为特征值;
将设定时间内,特征值的变化量与时间变化量的比值作为液体信号特征。
当特征值大于0时,说明此时所加工的孔已出现小部分穿孔;若特征值等于0说明孔完全没有被穿透,此两种情况下,继续加工。
加工开始时,液体信号特征值随时间的变化一直增大,当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且大于0时,则待加工腔体的加工状态为孔刚被击穿,此时,对激光加工参数进行调控,降低激光的加工功率并减小扫描速度以对材料进行修形处理,
当液体信号特征值减小且小于0时,由于激光加工深度的增加所以消融的防护填充材料的增加速度也开始为负增长了,此时判定为修型完毕;之后对激光加工参数继续调控,利用调控后的激光加工参数沿加工路径扫描加工两次,此时完成孔的加工,关闭激光加工系统;即完成了对腔体的加工和对腔体加工的监测过程。

Claims (8)

1.一种激光加工腔体的在线监测加工方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,利用激光加工系统对填充有防护填充材料的腔体进行加工,并采集待加工腔体出水口处的液体分子的含量;
步骤2,对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征;
步骤3,根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态;当待加工腔体的加工状态为进入激光辐照防护填充材料状态时,则反馈调控激光加工参数;
步骤4,利用调控后的激光加工参数对目标材料继续加工,并根据得到的液体信号特征判断是否对激光加工参数进行调控;
步骤5,利用调控后的激光加工参数对目标材料进行修型,直至修型完毕结束加工。
2.根据权利要求1所述的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,其特征在于,步骤1中,所述防护填充材料包括水、防护材料粉末和石墨粉末。
3.根据权利要求1所述的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,其特征在于,步骤2中,对采集到的液体分子的含量进行处理,得到液体信号特征,具体方法是:
将单位时间内,液体分子的含量与时间的比值作为特征值;
将设定时间内,特征值的变化量与时间变化量的比值作为液体信号特征。
4.根据权利要求1所述的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,其特征在于,步骤3中,根据得到的液体信号特征,判断待加工腔体的加工状态,具体方法是:
当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且大于0时,则待加工腔体的加工状态为激光辐照在防护填充材料上。
5.根据权利要求1所述的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,其特征在于,步骤4中,根据得到的液体信号特征判断是否对激光加工参数进行调控,具体方法是:
当液体信号特征值随时间的变化开始减小,且小于0时,则对激光加工参数进行调控。
6.根据权利要求1所述的一种激光加工腔体的在线监测加工方法,其特征在于,步骤5中,利用调控后的激光加工参数对目标材料进行修型,直至修型完毕结束加工,具体方法是:
利用调控后的激光加工参数沿加工路径扫描加工两次,则完成修型,结束加工。
7.一种激光加工腔体的在线监测加工系统,其特征在于,包括激光加工单元、液体搅动器(7)、数据采集单元和工程控制机(11),其中:
所述激光加工单元输出的激光作用在待加工腔体(4)上;
所述待加工腔体(4)的内腔中填充有呈冰冻状态的防护填充材料(5);
所述待加工腔体(4)上开设有进水口和出水口,所述进水口和出水口分别与液体搅动器(7)的出水口和进水口连接;
所述数据采集单元用于采集液体搅动器(7)内液体中由激光加工而产生的液体分子的含量,并将采集到的液体分子的含量传输至工程控制机(11);
所述工程控制机(11)用于根据接收到的液体分子的含量控制激光加工单元输出的激光加工参数。
8.根据权利要求7所述的一种激光加工腔体的在线监测加工系统,其特征在于,所述激光加工单元包括激光器(1)、光束传输系统(2)和扫描振镜(3),其中,所述激光器(1)输出的激光经过光束传输系统(2)入射至扫描振镜(3),所述扫描振镜(3)输出的激光作用在待加工腔体(4)上。
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