CN114589405B - 一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，该方法基于“激光空化‑超声空化”双重空化效应对激光加工的微孔进行后处理强化，双重空化效应可以产生大量的空泡，空泡溃灭产生的局部冲击波效应使微孔内壁的残余拉应力变为压应力，且可以改善微孔内壁残余压应力的分布，减少孔壁微裂纹的产生趋势，有效减少甚至阻止微裂纹的产生，从而有效提高微孔区域的力学性能。激光空化精准定位在微孔加工区域，可以保证对微孔内壁区域进行空化强化作用。超声空化可以产生大量的空泡，弥补激光空化作用下空泡数量少的缺陷。该方法还运用水温调节的方式，减小空泡的最大直径值，使空化作用效果更加明显、有效。此外，超声振动还起到超声清洗及细化晶粒作用，有助于进一步减少激光制孔带来的缺陷，拓宽了激光制孔应用领域。

Description

一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法
技术领域
本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法。
背景技术
激光加工是现有的较为先进的制造技术，与传统机械加工工艺相比，激光加工具有加工速度快、经济效益高、加工材料范围广以及加工过程无污染的优势。因而被广泛应用于各种工业领域。但是，在激光加工过程中，激光平均功率越高，由光致热作用导致的重铸层、微裂纹等问题就越严重，对零部件的疲劳寿命和使用的安全可靠性产生不利的影响。
空化是液体介质中所特有的一种复杂的流体动力现象。当流场中某处的局部压力较低时，液体中会形成大量的空泡。这些空泡在低压区时生长、膨胀，到达高压区时又会收缩、溃灭。这种空泡爆发性生长、膨胀、收缩、溃灭的过程称为水力空化现象。研究发现，空泡在溃灭时会释放出大量的能量，可以营造出局部的高温高压环境。使用激光或超声均能在液体介质中产生空化效应。当激光能量达到液体介质的击穿阈值时，液体介质被击穿，产生等离子腔体，这些等离子腔体会不断吸收激光能量而生长膨胀，形成空泡。空泡在压力差的作用下会产生“趋壁”效应。当空泡运动至固-液交界处附近时，伴随着空泡溃灭产生的局部冲击波效应，对固-液交界处形成力学强化作用，有助于将残余拉应力转变为残余压应力，减少孔壁微裂纹的产生趋势，有效减少甚至阻止微裂纹的产生，从而有效提高微孔区域的力学性能。此外，空泡溃灭作用也有助于几何形貌和显微硬度的改善。当超声波作用于液体介质时，液体介质内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，从液体逸出形成微小气泡。因超声空化作用形成的空泡会随液体介质的振动而不断运动、长大和溃灭，其溃灭产生的高温、高压和局部冲击波效应同样起到强化作用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，该方法基于“激光空化-超声空化”双重空化效应对激光加工的微孔进行后处理强化，双重空化效应可以产生大量的空泡，空泡溃灭产生的局部冲击波效应使微孔内壁的残余拉应力转变为压应力，且可以改善微孔内壁残余压应力的分布，减少孔壁微裂纹的产生趋势，有效减少甚至阻止微裂纹的产生，从而有效提高微孔区域的力学性能。激光空化精准定位在微孔加工区域，可以保证对微孔内壁区域进行空化强化作用。超声空化可以产生大量的空泡，弥补激光空化作用下空泡数量少的缺陷。该方法还运用水温调节的方式，减小空泡的最大直径值，使空化作用效果更加明显、有效。此外，超声振动还起到超声清洗及细化晶粒作用，有助于进一步减少激光制孔带来的缺陷，拓宽了激光制孔的应用领域。
一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，包括以下步骤。
第一步，设置激光制孔参数，将工件装夹在送样传送带上，激光器产生的激光束通过光纤导光装置进入激光头中，形成焦斑照射于工件的相应加工位置处，完成微孔的加工。
第二步，送样传送带与工件一起下降，开始向水箱中注入液体介质。当液位传感器检测到液面高度达到预设值后，停止注水，加热管开始工作，温度传感器实时监测水温。液体介质及工件预热完毕后，设置激光空化参数，激光束照射液体介质诱导产生空泡，运用空泡溃灭时所产生的局部冲击波效应对微孔内壁进行强化处理。
第三步，启动固定在水箱底部的超声振动装置，超声空化效应下产生大量空泡，对微孔内壁及工件整体进行强化。同时，利用超声振动对工件整体进行超声清洗及细化晶粒作用，进一步改善工件力学性能。最后，送样传送带带着工件一起抬升，取下工件，完成本次加工过程。
上述的基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，还涉及一种激光制孔设备，所述激光制孔设备包括机床底座、滑轨、齿条、滑块、Y轴支撑箱、X轴支架、X轴支撑箱、丝杠、激光头、左侧送样传送带和右侧送样传送带。滑轨与齿条固连在机床底座上，滑轨上安装有滑块。Y轴支撑箱通过螺栓安装在滑块上。Y轴支撑箱中的齿轮与齿条相啮合。X轴支架安装在左右两侧的Y轴支撑箱上，在X轴支架上同样安装有滑轨和齿条，X轴支撑箱以相同的安装方式安装在其上。通过步进电机控制齿轮与齿条配合，可实现激光头在X、Y轴的运动。X轴支撑箱内安装有丝杠，通过伺服电机控制丝杠旋转可实现激光头在Z轴上的移动。当需要实现激光打孔功能时，只需将工件固定安装在任意送样传送带上，通过控制激光头在X、Y、Z三个方向上的运动，便可在工件上进行激光打孔。送样传送带可配合激光头的运动，增大机床在Y轴方向上的工作行程，此外，送样传送带有助于对工件进行移动、定位和固定操作。
所述送样传送带可在Z轴方向上抬升、下降。当工件安装时，送样传送带可抬升至与水箱上表面齐平，方便工件安装。当启用双重空化强化功能时，送样传送带可下降一定高度，以便工件浸没在水箱液面高度下。
所述激光制孔设备中有加热管和用于测量液体温度的温度传感器，所述温度传感器和所述加热管均与控制系统连接，控制系统根据所述温度传感器传递的信号控制所述加热管工作。
所述激光制孔设备还包含有用于测量液体介质液位的液位传感器和控制系统，所述液位传感器与控制系统连接，可用于监测水箱内液面高度。
本发明的有益效果。
1.本发明基于“激光空化-超声空化”双重空化效应对激光加工的微孔进行后处理强化，双重空化效应可以产生大量的空泡，空泡溃灭产生的局部冲击波效应使微孔内壁的残余拉应力转变为压应力，且可以改善微孔内壁残余压应力的分布，减少孔壁微裂纹的产生趋势，有效减少甚至阻止微裂纹的产生，从而有效提高微孔区域的力学性能。激光空化精准定位在微孔加工区域，可以保证对微孔内壁区域进行空化强化作用。超声空化可以产生大量的空泡，弥补激光空化作用下空泡数量少的缺陷。采用激光和超声对液体介质进行的双重空化作用，可以增强空化溃灭的强化效果，改善微孔的内壁质量及工件的整体力学性能。
2.本发明运用水温调节的方式，通过温度传感器及加热管，可以按设定温度保证介质环境的温度恒定。高于环境温度的液体介质有助于提高工件加工区域的显微硬度、改善残余应力分布，且有助于减小空泡的最大直径。使空化作用效果更加明显、有效。
3.本发明运用超声振动还可起到超声清洗及细化晶粒作用，有助于提高显微硬度、改善残余应力、减少熔渣，进一步减少激光制孔带来的缺陷。
4.基于本发明方法组装的机床应用范围广阔，不仅可实现水上激光打孔、水下空化后处理，还可直接进行水下激光制孔，从而减小激光制孔的热影响区。该设备还可进行水上-水下的连续打孔，避免移动、重复定位和固定工件所带来的误差，具有更好的产品柔性和加工精度。机床的激光头可沿机床Z轴方向移动，配合激光参数的变化可实时改变激光诱导空泡的直径大小、所处位置，可合理的将空泡溃灭时产生的局部冲击波效应用来对微孔内壁进行强化处理，有效提高工件的力学性能和使用寿命。
附图说明
图1、图2为本发明所涉及的激光制孔设备的结构示意图。
图中：1-机床底座、2-齿条、3-滑轨、4-滑块、5-Y轴支撑箱、6-X轴支架、7-液位传感器、8-X轴支撑箱、9-丝杠、10-激光头、11-水箱、12-送样传送带、13-温度传感器、14-加热管、15-超声装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明的工作过程：将工件装夹在送样传送带12上，输入激光制孔参数并编写数控程序，激光头10依据数控程序编写的路径进行激光制孔。随后，送样传送带12带着工件一起下降，开始向水箱11中注入去离子水。当液位传感器7检测到液面高度达到预设值后，停止注水，加热管14开始工作，温度传感器13实时监测水温。当去离子水的温度达到预设的环境温度后，输入激光空化的相关参数，激光器产生的激光束通过光纤导光装置进入激光头10中，并随着激光头10在Z轴方向上的运动照射于工件已加工微孔位置处。去离子水吸收激光能量达到自身被击穿阙值后，在微孔区域产生等离子腔体，等离子腔体继续吸收激光能量，加速膨胀形成空泡并向微孔内部移动，伴随着空泡溃灭过程中的局部冲击波效应，微孔内壁的残余拉应力转变为残余压应力，残余压应力可以降低孔壁微裂纹的产生趋势。此外，局部冲击波效应也略微改善微孔内壁的形貌及显微硬度。其后，固定在水箱11底部的超声装置15开始工作，超声空化效应下产生大量微小气泡，空泡在趋壁作用下对微孔内壁及工件各表面进行强化，且超声振动会对工件整体进行超声清洗及晶粒细化作用，进一步改善工件力学性能。最后，送样传送带12带着工件一起抬升，取下工件，完成本次加工过程。
本方法所设计到的激光制孔设备，其包括机床底座1、齿条2、滑轨3、滑块4、Y轴支撑箱5、X轴支架6、液位传感器7、X轴支撑箱8、丝杠9、激光头10、水箱11、送样传送带12、温度传感器13、加热管14和超声装置15。齿条2与滑轨3固连在机床底座1上，滑轨3上安装有滑块4。Y轴支撑箱5通过螺栓安装在滑块4上。Y轴支撑箱5中的齿轮与齿条2相啮合。X轴支架6安装在左右两侧的Y轴支撑箱5上，在X轴支架6上安装有齿条2和滑轨3，X轴支撑箱8以相同的安装方式安装在其上。X轴支撑箱8内安装有丝杠9，通过伺服电机控制丝杠9旋转可实现激光头10在Z轴上的移动。温度传感器13、加热管14和超声装置15安装在水箱11中，液位传感器7安装在X轴支撑箱8上。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，其特征在于，将工件浸没在液体介质中，基于“激光空化-超声空化”双重空化效应产生大量的空泡，利用空泡溃灭对工件上已加工微孔区域及工件本身进行强化，通过加热管(14)加热水箱(11)中的液体介质，可对液体介质进行水温调节，从而改善激光加工区域的残余应力分布，同时影响空泡的最大直径值，送样传送带(12)可配合激光头(10)的运动，增大机床在Y轴方向上的工作行程，送样传送带(12)有助于对工件进行移动、定位和固定操作；
所述一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，其具体步骤如下：
第一步，设置激光参数，将工件装夹在送样传送带(12)上，输入激光参数并编写数控程序，激光器产生的激光束通过光纤导光装置进入激光头(10)中，形成焦斑照射于工件的相应加工位置处，激光头(10)依据数控程序编写的路径进行激光制孔，完成微孔的加工；
第二步，送样传送带(12)与工件一起下降，开始向水箱(11)中注入液体介质，当液位传感器(7)检测到液面高度达到预设值后，停止注水，加热管(14)开始工作，温度传感器(13)实时监测水温，当液体介质的温度达到预设的环境温度后，输入激光空化的相关参数，激光器产生的激光束通过光纤导光装置进入激光头(10)中，并随着激光头(10)在Z轴方向上的运动照射于工件已加工微孔位置处，调整激光参数，激光束照射液体介质诱导产生空泡，运用空泡溃灭时所产生的局部冲击波效应对微孔内壁进行强化处理；
第三步，启动固定在水箱(11)底部的超声装置(15)，超声空化效应下产生大量微小气泡，对微孔内壁及工件整体进行强化，同时，利用超声振动对工件整体进行超声清洗及细化晶粒作用，进一步改善工件力学性能，最后，送样传送带(12)带着工件一起抬升，取下工件，完成本次加工过程；
所述一种基于双重空化效应提高激光加工微孔内壁质量的方法，使用的激光制孔设备包括机床底座(1)、齿条(2)、滑轨(3)、滑块(4)、Y轴支撑箱(5)、X轴支架(6)、液位传感器(7)、X轴支撑箱(8)、丝杠(9)、激光头(10)、水箱(11)、送样传送带(12)、温度传感器(13)、加热管(14)和超声装置(15)，齿条(2)与滑轨(3)固连在机床底座(1)上，滑轨(3)上安装有滑块(4)，Y轴支撑箱(5)通过螺栓安装在滑块(4)上，Y轴支撑箱(5)中的齿轮与齿条(2)相啮合，X轴支架(6)安装在左右两侧的Y轴支撑箱(5)上，在X轴支架(6)上安装有齿条(2)和滑轨(3)，X轴支撑箱(8)以相同的安装方式安装在X轴支架(6)上，X轴支撑箱(8)内安装有丝杠(9)，通过伺服电机控制丝杠(9)旋转可实现激光头(10)在Z轴上的移动，温度传感器(13)、加热管(14)和超声装置(15)安装在水箱(11)中，液位传感器(7)安装在X轴支撑箱(8)上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115058585A (zh) * 2022-06-28 2022-09-16 北京理工大学 复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7399371B2 (en) * 2004-04-16 2008-07-15 Nippon Steel Corporation Treatment method for improving fatigue life and long-life metal material treated by using same treatment
CN101881667B (zh) * 2010-06-24 2015-09-09 电子科技大学 一种非制冷微测辐射热计及其制备方法
CN102297898B (zh) * 2011-05-17 2014-01-08 南京理工大学 金属三阶弹性常数的激光超声测定方法
CN102279226A (zh) * 2011-07-01 2011-12-14 烟台富润实业有限公司 接触式激光超声探头装置
DE102013109116A1 (de) * 2012-08-27 2014-03-27 General Electric Company (N.D.Ges.D. Staates New York) Bauteil mit Kühlkanälen und Verfahren zur Herstellung
CN104043382A (zh) * 2014-06-23 2014-09-17 清华大学 水力空化发生装置
WO2017143077A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Velo3D, Inc. Accurate three-dimensional printing
CN107486640B (zh) * 2017-08-24 2019-01-08 江苏大学 一种改善孔锥度和内壁质量的激光打孔装置及方法

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