CN114888462A - 一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，该装置包括激光加工单元、磁场辅助单元和实时监测单元。磁场辅助单元可调控激加工过程中等离子体的运动、形态、密度及分布，从而改善激光加工质量，提高激光加工效率。实时监测单元可对激光加工过程中的瞬态过程及物理现象进行便捷直观的实时观测、记录与分析。本发明设计的激光加工系统，可实现激光打孔、激光切割与激光焊接三种激光加工方式。

Description

一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置

技术领域

本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置。

背景技术

激光加工是一种非接触式加工方法，是现有先进制造技术之一。与传统的机械加工方法相比较，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等优势，已被广泛应用于航空航天、国防、军工、交通运输等重要领域。然而，在激光加工过程中，激光功率密度越高，材料加热熔化和气化越剧烈，所产生的蒸气和等离子体也就越稠密。等离子体越稠密，对激光辐照能量的屏蔽效应就越明显，激光加工的效率就会显著降低。而且，激光加工过程是一个复杂的热过程，激光加工表面残留物的凝固不仅改变了冶金状态，也会导致产生重铸层、微裂纹和飞溅沉积物等问题。

为了解决上述问题，研究人员尝试把磁场引入激光加工过程中，利用磁场对等离子体的影响特性，达到提高加工效率和改善加工质量的目的。在激光打孔过程中，磁场可以疏散入射激光束和激光辐照区之间的光致等离子体，降低等离子体的密度，从而减弱等离子体对入射激光束的屏障效应以及光学反射、散射和折射作用，从而提高激光打孔的效率，改善成孔的质量。在激光焊接过程中，磁场可以调控等离子体，提高入射激光的利用率，增加熔深，同时可以改变熔池金属的传质与传热过程，改善焊缝成形，提高焊接质量。在激光切割过程中，磁场辅助法同样可以提高切割质量与效率，同时消减或避免激光切割过程的不稳定性。

然而，在激光打孔、激光焊接或者激光切割过程中，激光熔化材料后形成的熔融金属的动态行为也会对加工质量产生一定的影响。而且，在激光加工过程中会产生带有飞溅和烟尘的刺眼强光，导致难以用肉眼直接观测并分析熔融金属的瞬态行为，也不能实时记录液态金属流动和金属熔喷等实时图像信息，从而难以深入地研究激光加工的物理过程与机理。因此，迫切需要设计发明一种能够实时有效地对激光加工瞬态过程进行便捷直观的实时观测、记录与分析的装置。

发明内容

针对现有装置和技术中存在的不足，本发明提出并设计提供了一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，通过高速摄像实时监测对磁场调控下的激光加工过程中的瞬态过程及物理现象进行便捷直观的实时观测、记录与分析，从而为深入地研究磁场辅助激光加工物理过程及机理提供了一种新的思路与装置。

本发明是通过以下技术手段实现的。

一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，包括激光加工单元、磁场辅助单元和实时监测单元。所述实时监测单元通过支板安装在激光加工单元的机床底座的滑块上，使得实时监测单元可在Y轴方向上移动。所述磁场辅助单元安装在激光加工单元的激光头上。

所述激光加工单元包括机床底座、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X轴支架上。通过步进电机控制齿轮与齿条配合，可实现激光头沿X轴和Y轴的移位。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或切割功能时，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三个方向上的移动，便可在工件上进行激光打孔或激光切割。当需要实现激光焊接功能时，需将焊件分别安装在左右两侧的送样传送带上，通过伺服电机控制Y轴支撑箱内的齿轮与机床底座上的齿条相配合，使激光头能沿Y轴方向均速作用在左右两块工件的连接处，形成高质量焊缝。

所述实时监测单元包括监测装置运动平台、监测装置支架和高速摄像机。高速摄像机固定安装在监测装置支架上，监测装置支架通过焊接的方式固定在监测装置运动平台上，通过监测装置运动平台的移位可调节高速摄像机的拍摄位置。当实时监测单元监测激光焊接过程时，高速摄像机可保持与激光头相同的速度在Y轴上运动，使得焦点始终聚焦在激光焊接位置处。

优选地，磁场辅助单元通过螺栓将左右两个套环连接在一起，固定安装在激光头上，其位置可根据需要在周向上旋转。通过调节电压值可以改变电磁铁所产生的磁场强度。

优选地，高速摄像机镜头前安装有保护镜片和滤光片，可保护高速摄像机免受激光加工过程中入射激光与反射激光的破坏。

优选地，送样传送带可配合激光头的移动，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。

本发明的有益效果：

1.本发明在一台机床上实现了三种激光加工操作，设备利用率高，具有更好的产品柔性和费用效率，降低了移动、定位和固定工件所产生的成本。

2.本发明提供在激光加工过程中耦合磁场辅助，可以降低光致等离子体的密度，调控等离子体的形态和分布，减弱等离子体的屏障效应，提高入射激光束能量的利用率，改善激光加工的质量与效率。

3.本发明具备实时监测功能，通过高速摄像机采集和分析激光加工过程中熔融金属的瞬态演变及动态行为，可分析激光加工过程中的液态金属流动、金属熔喷及飞溅等物理现象，为深入探究激光加工的物理过程及机理提供便捷而直观的研究途径和佐证依据。本发明的实时监测功能还可监测激光加工过程中等离子体的形态与分布情况，可用于监测分析磁场对激光加工的增益作用。

附图说明

图1 为本发明所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置的结构示意图。

图 2 为本发明所述激光加工单元的结构示意图。

图 3 为本发明所述实时监测单元的结构示意图。

图 4为本发明所述磁场辅助单元的结构示意图。

图中：1-机床底座、2-滑轨、3-齿条、4-滑块、5-Y轴支撑箱、6-X轴支架、7-X轴支撑箱、8-丝杠、9-激光头、10-左侧送样传送带、11-右侧送样传送带、12-支板、13-监测装置运动平台、14-监测装置支架、15-高速摄像机、16-磁场辅助单元、17-磁场控制装置。

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。

图1所示为本发明所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置的结构示意图，包括激光加工单元、磁场辅助单元和实时监测单元。实时监测单元安装在支板12上，可根据实际需要在Y轴方向上移动。磁场辅助单元安装在激光头9上，可调节电压产生不同强度的磁场。

图2所示为本发明所述激光加工单元的结构示意图，包括机床底座1、滑轨2、齿条3、滑块4、Y轴支撑箱5、X轴支架6、X轴支撑箱7、丝杠8、激光头9、左侧送样传送带10和右侧送样传送带11。滑轨2与齿条3固连在机床底座1上，滑轨2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3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上安装有滑轨2和齿条3，X轴支撑箱7以相同的安装方式安装在X轴支架6上。X轴支撑箱7内安装有丝杠8，通过伺服电机控制丝杠8旋转可实现激光头9在Z轴上的移动。

图3所示为本发明所述实时监测单元的结构示意图，包括监测装置运动平台13、监测装置支架14和高速摄像机15。高速摄像机15固定安装在监测装置支架14上，监测装置支架14通过焊接的方式固定在监测装置运动平台13上，通过监测装置运动平台13的移位可调节高速摄像机15的拍摄位置。

如图4所示为本发明所述磁场辅助单元的结构示意图，磁场辅助单元通过螺栓将左右两个套环连接在一起，其位置可根据需要在周向上旋转。

本发明的工作过程：选定激光加工方式，将工件装夹在左侧送样传送带10和右侧送样传送带11上，激光器产生的激光束通过光纤导光装置进入激光头9中，形成焦斑照射于工件的相应加工位置。磁场辅助单元16根据设定的电压值产生磁场，引导激光加工过程中产生的等离子体向外膨胀，减小其密度，有效减弱等离子体对入射激光束的屏障效应，使更多的激光能量照射到工件表面。此外，在整个激光加工过程中，高速摄像机15实时记录着加工区域的熔融金属流动、金属熔喷及飞溅等瞬态行为。

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 (8)

1.一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，包括激光加工单元、磁场辅助单元（16）和实时监测单元；所述实时监测单元通过支板（12）安装在激光加工单元的机床底座（1）的滑块上，使得实时监测单元可在Y轴方向上移动；所述磁场辅助单元（16）安装在激光加工单元的激光头（9）上。

2.根据权利要求1所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，所述激光加工单元包括机床底座（1）、滑轨（2）、齿条（3）、滑块（4）、Y轴支撑箱（5）、X轴支架（6）、X轴支撑箱（7）、丝杠（8）、激光头（9）、左侧送样传送带（10）和右侧送样传送带（11）；滑轨（2）与齿条（3）固连在机床底座（1）上，滑轨（2）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（3）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）上安装有滑轨（2）和齿条（3），X轴支撑箱（7）以相同的安装方式安装在X轴支架（6）上；X轴支撑箱（7）内安装有丝杠（8），通过伺服电机控制丝杠（8）旋转可实现激光头（9）在Z轴上的移动。

3.根据权利要求1所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，所述实时监测单元包括监测装置运动平台（13）、监测装置支架（14）和高速摄像机（15）；高速摄像机（15）固定安装在监测装置支架（14）上，监测装置支架（14）通过焊接的方式固定在监测装置运动平台（13）上，通过监测装置运动平台（13）的移位可调节高速摄像机（15）的拍摄位置。

4.根据权利要求1所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，所述磁场辅助单元（16）通过螺栓将左右两个套环连接安装在激光加工单元的激光头（9）上，其位置可根据需要在周向上旋转，通过调节磁场控制装置（17）的电压值可以改变电磁铁所产生的磁场强度。

5.根据权利要求2所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，通过改变工件的装夹位置、激光头（9）及送样传送带（10）的运动方式，可以实现激光打孔、激光切割或激光焊接这三种激光加工方式。

6.根据权利要求2所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，送样传送带（10）可配合激光头（9）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（10）有助于对工件进行移动、定位和固定操作。

7.根据权利要求3所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，当实时监测单元监测激光焊接过程时，高速摄像机（15）可保持与激光头（9）相同的速度在Y轴上运动，使得焦点始终聚焦在激光焊接位置处。

8.根据权利要求3所述一种高速监拍光磁复合加工瞬态过程的装置，其特征在于，高速摄像机镜头前安装有保护镜片和滤光片，可保护高速摄像机免受激光加工过程中入射激光与反射激光的破坏。

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