CN113634873B - 基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统，包括以下步骤：步骤1，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；步骤2，根据步骤1中得到的加工深度信息对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；步骤3，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；本发明能够实现激光对带腔体材料的高质量加工的同时实现无后壁损伤加工。

Description

基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统

技术领域

本发明属于激光加工过程监测及加工制造领域，特别涉及基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统。

背景技术

由于激光加工具有高精度、高质量、热影响小、无重铸层及可加工任意材料等特点，逐渐在航空航天、电子电路、船舶制造等多个领域广泛应用。然而激光加工属于无接触式加工，穿透加工表面后会持续作用在材料背面的物质上，在加工叶片、喷油嘴等具有中空腔体的材料时容易造成后壁表面受损甚至材料去除，即“后壁损伤”。后壁损伤会导致损伤处产生应力集中，造成材料在工作时受力不均，在实际生产应用中，存在后壁损伤的材料会直接做报废处理。因此后壁防护技术在激光加工中空腔体材料时十分关键，会直接影响到激光加工材料的可靠性以及激光加工在该行业的推广。

当前的后壁防护技术主要分为两种：腔体材料填充与激光加工在线监测。其中腔体材料填充即在中空腔体中填充一部分材料，以此减少或消除激光能量。但是该方法无法及时反馈防护状态，只能被动承受激光的辐照，对于狭小腔体的防护效果有限；激光加工在线监测方法一般是指实时监测加工过程状态，待激光穿透叶片后停止激光，该方法对数据处理的实时性要求极高，且仅能够实现后壁防护而无法保证加工材料的加工质量，无法满足加工质量的需求。因此亟需发展一种具备实现后壁防护功能的同时也可保证加工质量的后壁防护方法，以消除激光加工过程中的后壁损伤问题，推动激光加工在中空腔体材料加工领域的应用

发明内容

本发明的目的在于提供基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统，解决了现有技术中存在的上述不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，包括以下步骤：

步骤1，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；

步骤2，根据步骤1中得到的加工深度信息对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；

步骤3，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工。

优选地，步骤2中，对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，具体方法是：

根据激光参数、材料参数和加工参数，结合支持向量回归、决策树回归、长短时记忆神经网络或Transformer建立得到烧蚀速率模型；

以获取的深度信息为基础，根据烧蚀速率模型预测下一脉冲加工深度，得到预测深度。

优选地，步骤3中，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工，具体方法是：

当预测深度与目标材料的厚度一致时，则通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；

当预测深度小于目标材料的厚度时，则重复步骤1至步骤2。

优选地，通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，具体方法是：

以测量深度为输入值，激光能量密度为输出值，实际深度为被控对象，同时，固定剩余激光加工参数，采用预测控制方法建立防护材料的孔深控制模型；

利用孔深控制模型调控激光加工参数以控制加工孔深小于等于防护材料厚度。

基于干涉测量的激光加工后壁组合防护系统，该系统能够运行所述的方法，包括激光器、光束传输系统、空间光调制器、偏振转换器、干涉测量模块、二向色镜、扫描振镜和系统控制器，其中，所述激光器输出的激光光束依次经过光束传输系统、空间光调制器、偏振转换器和二向色镜入射至扫描振镜进行聚焦；所述扫描振镜输出的激光光束作用在填充有防护材料的目标材料上；

所述干涉测量模块输出的探测光束透过二向色镜与激光器输出的光束耦合，用以实时获取加工区域的加工深度信息；并将获取的加工深度信息传输至系统控制器；

所述系统控制器用于根据接收到的加工深度信息反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工。

优选地，所述干涉测量模块包括探测光源、光隔离器、光纤环形器、光纤耦合器、光纤反射镜、光纤偏振控制器、光纤相位调制器、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜和信号探测器，其中，所述探测光源发射出的探测光经过光隔离器入射至光纤环形器，所述光纤环形器的出射光入射至光纤耦合器，所述光纤耦合器输出两束光，其中一束光经过光纤相位调制器和光纤偏振控制器入射至光纤反射镜上，另一束光经过第一光纤准直镜进行准直后通过二向色镜与加工光束耦合并聚焦到目标材料上，从目标材料上反射回来的探测光与从参考镜上反射回来的参考光返回至光纤耦合器中发生干涉，并进一步经过光纤环形器和第二光束准直镜入射到信号探测器上；所述信号探测器用于获取探测光与参考光之间的干涉光谱信号，并将得到的干涉光谱信号传输至系统控制器。

优选地，所述探测光源为飞秒光频梳、扫频激光光源或超辐射发光二极管。

优选地，所述信号探测器为光谱仪或平衡探测器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，采用激光干涉测距原理，对激光加工腔体材料过程的孔深进行实时监测，通过预测深度反馈调控激光加工参数，以实现激光加工过程中的孔深实时控制，结合腔体材料填充，在激光穿透目标材料后实时控制激光参数防止激光对腔体材料造成损伤，并对加工区域进行精确修型，由此实现激光对带腔体材料的高质量加工的同时实现无后壁损伤加工。

本发明提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护系统，通过干涉测量模块实时获取干涉光谱信号，根据该干涉光谱信号实时获取加工区域的加工深度信息；进而通过系统控制器实现对激光器发射的激光参数进行调整，进而实现激光对带腔体材料的高质量加工的同时实现无后壁损伤加工。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的整体系统结构示意图；

图3是本发明实施例的整体系统结构示意图；

图4是本发明实施例的干涉测量模块结构示意图；

其中，1、激光器，2、光束传输系统，3、空间光调制器，4、偏振转换器，5、干涉测距模块，6、二向色镜，7、扫描振镜，8、目标材料，9、样品运动台，10、防护材料，11、系统控制器，12、工控机，13、透镜，14、探测光源，15、光隔离器，16、光纤环形器，17、光纤耦合器，18、光纤反射镜，19、光纤偏振控制器，20、光纤相位调制器，21、第一光纤准直镜，22、第二光纤准直镜，23、信号探测器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的目的在于提供基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统，解决当前激光加工具有中空腔体材料如航空发动机叶片气膜孔以及喷油嘴等过程中存在的后壁损伤问题，推动激光加工技术在中空腔体材料加工领域的应用。

如图1至图4所示，本发明提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，包含以下步骤：

步骤1，将防护材料填入目标材料的腔体内，用以减弱激光能量对后壁的损伤；

步骤2，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；

步骤3，根据激光烧蚀速率对目标材料的下一深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；

步骤4，当预测深度与目标材料的厚度一致时，则表示激光已穿透目标材料并作用至防护材料上，进而反馈调控激光加工参数，用以对加工区域进行修型，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工。

其中，反馈调控激光加工参数，用以对加工区域进行修型，具体方法是：

以测量深度为输入值，激光能量密度为输出值，实际深度为被控对象，同时，固定剩余激光加工参数，采用预测控制方法建立防护材料的孔深控制模型；所述剩余激光加工参数包括激光重频、激光焦点和激光偏振态；

基于孔深控制模型调控激光加工参数以控制加工孔深不超过防护材料厚度。

步骤1中，所述防护材料可以为刚玉、碳化硅、石墨烯等微固体颗粒，冰-碳混合物、陶瓷-石蜡混合物等固体混合物，水-悬浮颗粒、石油-塑料颗粒等固-液混合物，石油、蒸馏水等液体物质以及氮气、氩气等气体物质等具有减弱或消除激光能量作用的物质。

所述目标材料包括带热障涂层的镍基合金、钛合金以及碳化硅等叶片材料以及不锈钢等喷油嘴材料等具有中空腔体的材料。

步骤3中，所述深度预测是通过试验获得激光加工参数，所述激光加工参数包括激光功率、脉宽、重频、焦点和光场分布，材料参数包括材料种类和厚度；加工参数包括加工区域面积、直径和深度之间的对应数据关系，采用支持向量回归、决策树回归、长短时记忆神经网络或Transformer建立烧蚀速率模型，以干涉测量模块获取的深度信息为基础，根据烧蚀速率模型预测下一脉冲深度，由此实现深度预测。

如图2、图3所示，本发明提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护系统，包括激光器1、光束传输系统2、空间光调制器3、偏振转换器4、干涉测量模块5、二向色镜6、扫描振镜7、目标材料8、样品运动台9、防护材料10、系统控制器11、工控机12和透镜13，其中，所述激光器1输出的激光光束依次经过光束传输系统2、空间光调制器3、偏振转换器4和二向色镜6入射至扫描振镜7或透镜13进行聚焦；所述扫描振镜7或透镜13输出的激光光束作用在目标材料8上。

所述目标材料8的内腔中填充有防护材料10，且安装在样品运动台9上。

所述干涉测量模块5输出的探测光束透过二向色镜6与激光器1输出的光束耦合。

所述激光器1、空间光调制器3、偏振转换器4、干涉测量模块5和扫描振镜7均连接至系统控制器11。

所述系统控制器11还连接有样品运动台9和工控机12。

其中，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。

所述空间光调制器3用于对激光光场分布进行动态调控，以更加符合激光修孔要求。

所述样品运动台9主要用于控制工件的运动。

所述系统控制器11主要用于对干涉测量模块的数据进行处理，得到预测深度；集成深度预测模型与孔深控制模型，并且可控制激光器，空间光调制器和偏振转换器。

所述工控机12主要用于实现对系统控制器11的操控。

如图4所示，所述干涉测量模块5包括探测光源14、光隔离器15、光纤环形器16、光纤耦合器17、光纤反射镜18、光纤偏振控制器19、光纤相位调制器20、第一光纤准直镜21、第二光纤准直镜22和信号探测器23，其中，所述探测光源14发射出的探测光经过光隔离器15入射至光纤环形器16，所述光纤环形器16的出射光入射至光纤耦合器17，所述光纤耦合器17输出两束光，其中一束光经过光纤相位调制器20和光纤偏振控制器19入射至光纤反射镜18上，另一束光经过第一光纤准直镜21进行准直后通过二向色镜6与加工光束耦合并聚焦到样品上，从样品上反射回来的探测光与从参考镜上反射回来的参考光返回至光纤耦合器17中发生干涉，并进一步经过光纤环形器16和第二光束准直镜22入射到信号探测器23上。

所述信号探测器23用于获取探测光与参考光之间的干涉光谱信号，并将得到的干涉光谱信号传输至系统控制器11。

所述系统控制11用于根据接收到的干涉光谱信号计算得到加工区域的加工深度信息。

所述探测光源14为飞秒光频梳、扫频激光光源或超辐射发光二极管。

所述光隔离器15用于保护探测光源，防止其收到反射光的损坏。

所述光纤相位调制器20用于快速调节参考臂和样品臂的光程差。

所述光纤偏振控制器19主要用于控制探测光源的偏振方向。

所述信号探测器23为光谱仪或平衡探测器。

为解决当前激光加工具有中空腔体材料过程中的后壁损伤问题，本发明提供了一种基于干涉测量的激光加工腔体材料在线监测与腔体填充的后壁组合防护方法及系统，基于干涉测量原理实时监测激光加工孔深，以此反馈调控激光加工参数，配合防护材料实现对带中空腔体材料加工区域修型的同时减少对后壁材料的损伤，解决激光加工带中空腔体材料过程中的后壁损伤问题。

本发明可以实现激光加工涡轮叶片、喷油嘴等具有中空腔体材料过程的实时孔深监测与反馈，与防护材料配合实现激光加工涡轮叶片、喷油嘴等具体中空腔体材料过程中的后壁组合防护，可以用于解决激光加工中空腔体材料过程中的后壁损伤问题。

实施例

其具体流程如图1所示，以激光加工叶片气膜孔为例，采用直径100um-800um石墨颗粒为防护材料，1-8mm带涂层镍基合金为目标材料，腔体厚度为0.5mm-3mm，主要包含以下步骤：

步骤1，根据腔体厚度选择相应直径的石墨颗粒填入带涂层镍基合金叶片腔体，以减弱激光能量对后壁的损伤；

步骤2，根据孔加工直径以及叶片加工区域厚度确定激光加工参数，采用激光加工系统对填有石墨颗粒的叶片进行加工，干涉测量模块实时获取加工区域的深度信息；

步骤3，根据激光参数、加工参数、材料参数等建立激光加工镍基合金激光烧蚀速率数据库，采用支持向量机回归方法建立激光烧蚀速率模型，以根据干涉测量模块当前获取的深度信息，预测叶片材料的下一深度信息，并将预测深度信息与叶片材料的厚度信息对比；

步骤4，当预测深度与叶片材料的厚度一致时，认为激光已穿透叶片材料并作用至石墨颗粒上，进而反馈调控激光加工参数，对气膜孔进行修型；

步骤5，固定其他参数，以测量深度为输入值，激光能量为输出值，实际深度为被控对象，采用预测控制方法，建立石墨颗粒的孔深控制模型；

步骤6，基于孔深控制模型调控加工参数以控制加工孔深不超过石墨颗粒厚度，并持续对气膜孔进行修型；

步骤7，以腔体厚度为参考，当孔深接近腔体厚度+叶片加工区域厚度或在叶片穿透区域深度值基本一致(代表孔型满足要求)后，停止加工。

尽管本说明书中较多地使用了激光器，光束传输系统，空间光调制器，偏振转换器，干涉测距模块，二向色镜，扫描振镜，目标材料，样品运动台，防护材料，系统控制器，工控机，透镜，探测光源，光隔离器，光纤环形器，光纤耦合器，光纤反射镜，光纤偏振控制器，光纤相位调制器，光纤准直镜，信号探测器等，但并不排除使用其他术语地可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述本发明地本质，把他们解释成任何一种附加地限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含于在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；

步骤2，根据步骤1中得到的加工深度信息对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；

步骤3，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工;

步骤3中，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工，具体方法是：

当预测深度与目标材料的厚度一致时，则通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；

当预测深度小于目标材料的厚度时，则重复步骤1至步骤2;

通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，具体方法是：

以测量深度为输入值，激光能量密度为输出值，实际深度为被控对象，同时，固定剩余激光加工参数，采用预测控制方法建立防护材料的孔深控制模型；

利用孔深控制模型调控激光加工参数以控制加工孔深小于等于防护材料厚度；

步骤2中，对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，具体方法是：

根据激光参数、材料参数和加工参数，结合支持向量回归、决策树回归、长短时记忆神经网络或Transformer建立得到烧蚀速率模型；

以获取的深度信息为基础，根据烧蚀速率模型预测下一脉冲加工深度，得到预测深度；

所述激光加工系统包括激光器（1）、光束传输系统（2）、空间光调制器（3）、偏振转换器（4）、干涉测量模块（5）、二向色镜（6）、扫描振镜（7）、系统控制器（11）和工控机（12），其中，所述激光器（1）输出的激光光束依次经过光束传输系统（2）、空间光调制器（3）、偏振转换器（4）和二向色镜（6）入射至扫描振镜（7）进行聚焦；所述扫描振镜（7）输出的激光光束作用在填充有防护材料的目标材料（8）上；

所述干涉测量模块（5）输出的探测光束透过二向色镜（6）与激光器（1）输出的光束耦合，用以实时获取加工区域的加工深度信息；并将获取的加工深度信息传输至系统控制器（11）；

所述系统控制器（11）用于根据接收到的加工深度信息反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；

所述干涉测量模块（5）包括探测光源（14）、光隔离器（15）、光纤环形器（16）、光纤耦合器（17）、光纤反射镜（18）、光纤偏振控制器（19）、光纤相位调制器（20）、第一光纤准直镜（21）、第二光纤准直镜（22）和信号探测器（23），其中，所述探测光源（14）发射出的探测光经过光隔离器（15）入射至光纤环形器（16），所述光纤环形器（16）的出射光入射至光纤耦合器（17），所述光纤耦合器（17）输出两束光，其中一束光经过光纤相位调制器（20）和光纤偏振控制器（19）入射至光纤反射镜（18）上，另一束光经过第一光纤准直镜（21）进行准直后通过二向色镜（6）与加工光束耦合并聚焦到目标材料上，从目标材料上反射回来的探测光与从参考镜上反射回来的参考光返回至光纤耦合器（17）中发生干涉，并进一步经过光纤环形器（16）和第二光纤准直镜（22）入射到信号探测器（23）上；所述信号探测器（23）用于获取探测光与参考光之间的干涉光谱信号，并将得到的干涉光谱信号传输至系统控制器（11）。

2.根据权利要求1所述的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，所述探测光源（14）为飞秒光频梳、扫频激光光源或超辐射发光二极管。

3.根据权利要求1所述的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，所述信号探测器（23）为光谱仪或平衡探测器。

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