CN113649714A - 一种液体介质辅助温度可控可监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液体介质辅助温度可控可监测装置，涉及激光加工领域，包括升温模块、降温模块、激光发生模块和监测模块；所述升温模块用来加热液体介质到一定的温度，所述降温模块用来将介质降温到一定温度，所述激光发生模块用来对工件进行加工；所述监测模块用来监测液体介质的温度并对监测到的温度进行显示；所述液体介质设置在箱体内；箱体内设置有升温模块和降温模块。本发明利用液体介质辅助影响激光打孔过程中等离子体的运动、削弱激光脉冲产生的整体热累计效应，同时通过改变液体介质的温度加剧激光加工过程中液体介质的冷却效应和孔壁上的局部气泡空化效应辅助激光打孔，实现对激光打孔成孔质量改善和提高打孔效率的目的。

Description

一种液体介质辅助温度可控可监测装置

技术领域

本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及一种液体介质辅助温度可控可监测装置。

背景技术

在激光加工领域，激光打孔一直是激光加工的重要组成部分，随着近代工业和科学技术的迅速发展，越来越多的产品向着微型化及精密化的方向发展，使用传统的加工方法已不能满足微细孔加工的工艺要求。为此，各国的专家学者对微孔加工技术开展了广泛的研究，提出了各种现代化的微孔加工技术，激光打孔就是现代制造技术领域的关键技术之一。

但是在激光打孔过程中，工件由于热累计效应不断加热升温从而熔化并汽化，致使部分材料从孔出口无规则的喷溅出来，同时由于加工过程中产生的等离子体对激光的屏蔽散射作用，导致激光打孔存在孔口圆度差，飞溅多，孔的锥度大，孔内壁存在微裂纹和重铸层等缺陷问题。基于激光打孔中缺陷产生的机理，很多国内外学者对此进行大量研究并提出一系列改进方案，这其中就包括液体介质辅助激光打孔。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种液体介质辅助温度可控可监测装置，利用液体介质影响激光打孔过程中的等离子体的运动，同时利用改变温度场来加剧激光加工过程中液体介质的冷却效应和孔壁上的局部气泡空化效应辅助激光打孔，实现对激光打孔成孔质量改善和提高打孔效率的目的。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，包括升温模块、降温模块、激光发生模块和监测模块；所述升温模块用来加热液体介质到一定的温度，所述降温模块用来将介质降温到一定温度，所述激光发生模块用来对工件进行加工；所述监测模块用来监测液体介质的温度并对监测到的温度进行显示；所述液体介质设置在箱体内；箱体内设置有升温模块和降温模块。

进一步的，所述降温模块包括制冷固定结构和导冷块；所述制冷固定结构设置在箱体内，制冷固定结构上设置有导冷块；所述导冷块将液体介质内的热量传递给半导体制冷片；所述半导体制冷片设置在制冷固定结构上；半导体制冷片通过制冷片固定盖压紧定位。

进一步的，所述制冷固定结构为U字形结构，且制冷固定结构的三个面均与箱体中的三个面贴合，制冷固定结构的两个竖直面的一侧均支撑有导冷块；所述制冷固定结构的两个竖直面的另一侧通过导热硅脂黏附有半导体制冷片；制冷固定结构的水平面上开设有槽孔结构，槽孔结构用来透过液体介质；所述导冷块为齿片状结构。

进一步的，所述制冷片固定盖内设置有橡胶气管，橡胶气管用来输送气体，从而在制冷片固定盖与制冷固定结构之间形成气体散热腔来提高冷却效率。

进一步的，所述升温模块包括电加热棒、电源和电路控制器；所述电源与电加热棒导线连通，电路控制器用来控制线路的导通。

进一步的，数个所述电加热棒通过加热固定结构固定定位，所述加热固定结构可拆卸的设置在箱体的一个侧面上。

进一步的，所述加热固定结构为L型板结构，L型板结构上开设有栅格结构，栅格结构用来透过液体介质。

进一步的，所述激光发生模块包括激光器、聚焦透镜、垂直调整装置和喷嘴，所述激光器发出的激光束经过聚焦透镜聚焦作用于工件的待加工处；工件通过工件固定片设置在箱体中间位置。

进一步的，所述监测模块包括电子显示温度计固定结构、电子显示温度计、引线、探头固定结构和探头；所述电子显示温度计固定结构设置在箱体外侧，所述电子显示温度计放置于电子显示温度计固定结构内部，所述探头通过探头固定结构设置在制冷固定结构内侧，所述探头通过引线与电子显示温度计电连接。

进一步的，所述箱体的一个竖直面为高透玻璃。

本发明的有益效果：

1.本发明通过液体介质辅助和改变液体介质的温度削弱了激光脉冲产生的整体热累计效应，加工过程中液体介质蒸发形成蒸汽致使等离子体分散，将激光能量转化为机械驱动力，提高了材料的去除率，改善了激光的利用率和打孔效率。

2.本发明通过液体介质辅助并且改变液体介质的温度加剧加工过程中液体介质的冷却效应和孔壁上的局部气泡空化效应辅助激光打孔，进一步改善了激光打孔的质量，提高了激光打孔的效率。

3.本发明中液体介质的温度可以通过电路控制器调整改变，制冷片和电热棒的配合可以实现液体介质温低温和高温之间的快速切换，电子显示温度计可以实时监测液体介质的温度变化，几者配合可以研究不同液体介质温对激光打孔成孔的影响，从而达到优化激光打孔相关工艺参数的目的。

附图说明

图1为根据本发明实施例的液介质辅助温度可控可监测激光打孔装置的结构示意图。

图2为图1的三维结构示意图；

图3为图1的A-A结构示意图；

图4为图1中的降温模块的结构示意图；

图5为图1中制冷片固定盖结构示意图；

图6为图1中制冷固定结构的示意图；

图7为液体介质辅助温度可控可监测激光打孔方法的原理图；

附图标记：

1-电源，2-电路控制器，3-箱体，4-微型真空泵，5-气管接头，6-橡胶气管，7-半导体制冷片，8-激光束，9-聚焦透镜，10-垂直调整装置，11-喷嘴，12-制冷固定结构，13、制冷片固定盖，14-电加热棒，15-高透玻璃，16-机床底座，17-机床移动单元，18-加热固定结构，19- 工件固定片，20-电子显示温度计固定结构，21-电子显示温度计，22-导冷块，23-引线，24- 探头固定结构，25-探头，26-工件，27-箱体固定螺栓，28-导热硅脂，29-防水/隔热垫，30-等离子体，31-气泡，32-水介质。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，包括升温模块、降温模块、激光发生模块和监测模块；所述升温模块用来加热液体介质到一定的温度，所述降温模块用来将介质降温到一定温度，所述激光发生模块用来对工件进行加工；所述监测模块用来监测液体介质的温度并对监测到的温度进行显示；所述液体介质设置在箱体3内；箱体3内设置有升温模块和降温模块。

优选的，所述降温模块包括制冷固定结构12和导冷块22；所述制冷固定结构12设置在箱体3内，制冷固定结构12上设置有导冷块22；所述导冷块22将液体介质内的热量传递给半导体制冷片7；所述半导体制冷片7设置在制冷固定结构12上；半导体制冷片7通过制冷片固定盖13压紧定位。

优选的，所述制冷固定结构12为U字形结构，且制冷固定结构12的三个面均与箱体3 中的三个面贴合，制冷固定结构12的两个竖直面的一侧均支撑有导冷块22；所述制冷固定结构12的两个竖直面的另一侧通过导热硅脂28黏附有半导体制冷片7；制冷固定结构12的水平面上开设有槽孔结构，槽孔结构用来透过液体介质；所述导冷块22为齿片状结构。

所述制冷片固定盖13内设置有橡胶气管6，橡胶气管6用来输送气体，从而在制冷片固定盖13与制冷固定结构12之间形成气体散热腔来提高冷却效率。

优选的，所述升温模块包括电加热棒14、电源1和电路控制器2；所述电源1与电加热棒14导线连通，电路控制器2用来控制线路的导通。数个所述电加热棒14通过加热固定结构18固定定位，所述加热固定结构18可拆卸的设置在箱体3的一个侧面上。所述加热固定结构18为L型板结构，L型板结构上开设有栅格结构，栅格结构用来透过液体介质。

优选的，所述激光发生模块包括激光器、聚焦透镜14、垂直调整装置14和喷嘴11，所述激光器发出的激光束8经过聚焦透镜9聚焦作用于工件26的待加工处；工件26通过工件固定片19设置在箱体3中间位置。

优选的，所述监测模块包括电子显示温度计固定结构20、电子显示温度计21、引线23、探头固定结构24和探头25；所述电子显示温度计固定结构20设置在箱体3外侧，所述电子显示温度计21放置于电子显示温度计固定结构20内部，所述探头25通过探头固定结构24设置在制冷固定结构12内侧，所述探头25通过引线23与电子显示温度计21电连接。

优选的，所述箱体1的一个竖直面为高透玻璃15。

实施例

本发明实施例中选用的液体介质为水，在激光加工过程中水辅助的作用是通过水介质的蒸发形成蒸汽致使等离子体分散，从而将激光能量转化为机械驱动力，进而通过驱动力和压力将材料去除。由于水的比热容较大，冷却效应好，在水辅助激光加工过程中，工件表面的热量被水吸走从而极大的削弱了由激光脉冲产生的整体热累计效应。从结果上来看，水辅助激光打孔加工后孔口的飞溅物和热影响区会减少，孔口质量的得到改善。除此之外，水辅助激光打孔过程中，等离子体的扩散与水汽化作用相结合，为激光去除材料和孔壁内碎屑的排出提供了更多的动力。水过热形成气泡，气泡破裂形成的压力会促进碎屑的排出，加工完的孔锥度也因此减小，内壁质量得到改善。

结合附图1-7所示，工件26通过螺栓加紧在工件固定片19和箱体3内部的圆柱形凸起加工平台上，箱体3通过水箱固定螺栓27紧固在机床底座16上。电子显示温度计固定结构20通过螺栓固定于箱体3右侧外部，电子显示温度计21放置于电子显示温度计固定结构20内部。探头25自身通过探头固定结构24固定于制冷单元固定结构12内侧，同时探头25的尾部通过引线连接电子显示温度计21；电加热棒14紧固于加热单元固定结构18底部，加热固定结构18通过螺栓紧固于水箱内部。加热单元固定结构18和制冷固定结构12底部接触处有卡扣结构稳固两者在水箱内部的位置。

制冷片固定盖13上端开口方便橡胶气管6和半导体制冷片7的通电导线接入，制冷片固定盖13内部有特定大小的卡槽结构，用于固定半导体制冷片7和固定橡胶气管6位置，同时卡槽结构中有两道凸起结构，用来压紧半导体制冷片7与制冷固定结构12接触，同时形成气体散热腔方便橡胶气管6吹气散热提高冷却效率。

一种液介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，箱体3的底部通过箱体固定螺栓27固定于机床底座16上，箱体3为中空的正方形开口结构，箱体3的顶部开口且正前端开口，所述箱体3正前端开口通过高透玻璃15完全密封并做防水处理，所述箱体3内部有圆柱形加工平台凸起，工件固定片19位于箱体3内的圆柱形加工平台上并通过两端的螺栓固定，工件26夹紧在圆柱形加工平台和工件固定片19之间，激光发生模块产生的激光正对工件26；

升温模块包括电源1、电路控制器2、电加热棒14和加热固定结构18；所述电加热棒14 紧固于加热固定结构底部18，所述加热固定结构18通过螺栓紧固于箱体3内部；

监测模块包括电子显示温度计固定结构20、电子显示温度计21、引线23、探头固定结构24和探头25；所述电子显示温度计固定结构20通过螺栓紧固于箱体3外部右侧，所述电子显示温度计21放置于电子显示温度计固定结构20内部，所述探头25通过探头固定结构24固定于制冷固定结构12内侧，所述探头25通过引线23与电子显示温度计21形成连接；所述探头25防水。

电源1与所述电路控制器2电连接，所述半导体制冷片7、电加热棒14、微型真空泵4均与所述电路控制器2电连接，所述电路控制器2控制半导体制冷片7产生两端温差，所述电路控制器2控制微型真空泵4吹走被半导体制冷片7加热的空气从而冷却水介质32，所述电路控制器2控制电加热棒14加热水介质32。

制冷固定结构12为U型结构，底部开有圆形开口方便箱体3的圆柱形加工平台露出，制冷固定结构12底端开有栅格方便水介质32透过，所述制冷固定结构12左右两侧开有栅格用于固定降温模块和探头固定结构24，所述探头固定结构24可以沿着制冷固定结构12的栅格上下调整，从而保证探头25的中心始终与水介质32上表面持平。所述制冷固定结构12底部在贴近加热固定结构18一侧有突出结构，所述加热固定结构18底部在贴近制冷固定结构 12出开有栅格，两者相互卡扣稳定结构。

制冷片固定盖13内部有特定大小的卡槽结构，用于固定半导体制冷片7和固定橡胶气管 6位置。所述制冷片固定盖13内部卡槽结构中有两道凸起结构，一方面起到压紧半导体制冷片7与制冷固定结构12作用，另一方面形成气体散热腔来提高冷却效率。所述制冷片固定盖 13顶部开口用来接入半导体制冷片7导线和橡胶气管6，所述制冷片固定盖13和制冷固定结构12之间存在防水/隔热垫29，保证其防水/隔热效果。

半导体制冷片7和制冷固定结构12之间涂满导热硅脂28，提高制冷中热量传递效率，所述导冷块22增加了水介质制冷单元与水介质32的接触面积，进一步提高了制冷效率；导冷块为半导体制冷片导冷块，导冷块结构为齿片状结构。

半导体制冷片7和电加热棒14依据箱体3内部的圆柱形加工平台对称分布，从而使冷却/ 加热效果更充分均匀。

激光发生单元包括激光器、聚焦透镜14、垂直调整装置14和喷嘴11，所述激光器产生的激光束8经过聚焦透镜9产生的光斑作用于工件26的待加工处，所述垂直调整装置10调整激光发生单元Z轴方向位置。

箱体3底部开有方形卡槽，所述方形卡槽套设于机床底座16上，手动调整箱体3位置和方向后，通过水箱紧固螺栓27将水箱固3定在机床底座上16，所述机床移动单元17调整工件X、Y轴方向位置。

高透玻璃15和箱体3左侧开口密封接触且做防水处理，高透玻璃15方便后续观察激光打孔过程中的具体细节。

水辅助温度可控可监测激光打孔装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：将按要求加工处理好的工件26正确装夹，向箱体3中加入水介质32，调整探头固定结构24使探头25位于合适的水温测量位置；

步骤二：通过电路控制器2控制水介质制冷/加热单元工作，通过观察电子显示温度计上 21的具体读数监测水介质温度，通过调整电路控制器2达到想要的水辅助激光打孔温度；

步骤三：启动激光器，通过垂直调整装置10调整好激光头与工件26之间的距离，再次调整将激光束8聚焦到工件26相应要求位置处，使工件26在激光和水-温度耦合能场辅助的共同作用下完成激光打孔。

在激光打孔过程中，随着激光功率密度的提高，材料加热融化、汽化也变得更加剧烈，所产生的蒸汽和等离子体30云密度也随着增大，对激光辐射能量的屏蔽作用就越大，这就导致材料去除率减少，激光加工的效率下降，同时，激光打孔过程中，工件由于热累计效应不断加热升温从而熔化并汽化，致使部分材料从孔出口无规则的喷溅出来，最终导致成型孔的重铸层、微裂纹、飞溅沉积物等各种问题。为了改善这些问题，通过水辅助激光打孔，在激光加工过程中通过水介质32的蒸发形成蒸汽致使等离子体分散，从而将激光能量转化为机械驱动力，进而通过驱动力和压力将材料去除。由于水介质32的比热容较大，冷却效应好，在水辅助激光加工过程中，工件表面的热量被水吸走从而极大的削弱了由激光脉冲产生的整体热累计效应。同时，水辅助激光打孔过程中，等离子体的扩散与水汽化作用相结合，为激光去除材料和孔壁内碎屑的排出提供了更多的动力。水过热形成气泡31，气泡31破裂形成的压力会促进碎屑的排出，加工完的孔锥度也因此减小，内壁质量得到改善。在水辅助激光打孔过程中，改变温度场可以加剧激光加工过程中水介质32的冷却效应和孔壁上的局部气泡空化效应辅助激光打孔，进一步改善激光打孔孔的质量，提高激光打孔的效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，包括升温模块、降温模块、激光发生模块和监测模块；所述升温模块用来加热液体介质到一定的温度，所述降温模块用来将液体介质降温到一定温度，所述激光发生模块用来对工件进行加工；所述监测模块用来监测液体介质的温度并对监测到的温度进行显示；所述液体介质设置在箱体(3)内；箱体(3)内设置有升温模块和降温模块。

2.根据权利要求1所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述降温模块包括制冷固定结构(12)和导冷块(22)；所述制冷固定结构(12)设置在箱体(3)内，制冷固定结构(12)上设置有导冷块(22)；所述导冷块(22)将液体介质内的热量传递给半导体制冷片(7)；所述半导体制冷片(7)设置在制冷固定结构(12)上；半导体制冷片(7)通过制冷片固定盖(13)压紧定位。

3.根据权利要求2所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述制冷固定结构(12)为U字形结构，且制冷固定结构(12)的三个面均与箱体(3)中的三个面贴合，制冷固定结构(12)的两个竖直面的一侧均支撑有导冷块(22)；所述制冷固定结构(12)的两个竖直面的另一侧通过导热硅脂(28)黏附有半导体制冷片(7)；制冷固定结构(12)的水平面上开设有槽孔结构，槽孔结构用来透过液体介质；所述导冷块(22)为齿片状结构。

4.根据权利要求2所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述制冷片固定盖(13)内设置有橡胶气管(6)，橡胶气管(6)用来输送气体，从而在制冷片固定盖(13)与制冷固定结构(12)之间形成气体散热腔来提高冷却效率。

5.根据权利要求1所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述升温模块包括电加热棒(14)、电源(1)和电路控制器(2)；所述电源(1)与电加热棒(14)导线连通，电路控制器(2)用来控制线路的导通。

6.根据权利要求5所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，数个所述电加热棒(14)通过加热固定结构(18)固定定位，所述加热固定结构(18)可拆卸的设置在箱体(3)的一个侧面上。

7.根据权利要求6所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述加热固定结构(18)为L型板结构，L型板结构上开设有栅格结构，栅格结构用来透过液体介质。

8.根据权利要求1所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述激光发生模块包括激光器、聚焦透镜(14)、垂直调整装置(14)和喷嘴(11)，所述激光器发出的激光束(8)经过聚焦透镜(9)聚焦作用于工件(26)的待加工处；工件(26)通过工件固定片(19)设置在箱体(3)中间位置。

9.根据权利要求1所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述监测模块包括电子显示温度计固定结构(20)、电子显示温度计(21)、引线(23)、探头固定结构(24)和探头(25)；所述电子显示温度计固定结构(20)设置在箱体(3)外侧，所述电子显示温度计(21)放置于电子显示温度计固定结构(20)内部，所述探头(25)通过探头固定结构(24)设置在制冷固定结构(12)内侧，所述探头(25)通过引线(23)与电子显示温度计(21)电连接。

10.根据权利要求1所述的液体介质辅助温度可控可监测激光打孔装置，其特征在于，所述箱体(1)的一个面为高透玻璃(15)。

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