CN117733319A - 一种多物理场辅助激光抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种多物理场辅助激光抛光装置及抛光方法，其特征在于一方面通过分束器激将激光分为三束激光分别对材料进行预热、加工和退火，另一方面通过添加超声振动物理场、磁场、电场从而达到促进熔池表面流动，优化表面平滑效果的目的。该装置与现有的激光抛光装置及抛光方法相比，具有稳定可靠，加工效果更加的优势，适用于激光抛光各类金属材料与非金属材料。

Description

一种多物理场辅助激光抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于激光抛光技术领域，设计一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法。

技术背景

近年来，制造业进入了新的发展时期，对表面抛光技术提出了新的要求，激光抛光技术的快速发展为表面抛光智能化高效化提供了新的途径。激光抛光技术具有无污染、应用广、抛光质量稳定和易实现自动化等优点，是一种极具发展前景的工业抛光技术。激光抛光技术是利用激光与材料表面相互作用进行加工的，当高能激光束作用在材料表面时,表面峰顶材料会迅速受热熔化，并在重力的作用下填入峰谷，从而缩短峰谷到峰顶的距离达到平滑表面的效果。因此只要材料的热物理性能好,都可以用此项技术来进行表面处理。

激光抛光过程中，由于激光作用时会在材料表面形成较大的温度梯度，所以会在材料表面产生热应力,最后导致熔池凝固的过程中产生裂纹，降低了加工后的表面质量。因此在激光抛光过程中，如何降低材料产生的热应力，是切实需要解决的问题。

激光抛光过程中，由于表面材料的熔化和冷凝都是在较短的时间内完成的，因此，受到材料在热物性以及成形工艺方面差异的影响，激光加工后的材料表面有可能会因为较大的拉应力而出现裂纹等缺陷，降低了表面质量，因此如何减少应力的产生从而抑制重熔区裂纹是一个值得关注的问题。有很多发明已经提出了一些解决方案，专利ZL202110539588 .8设计了一种用于铝合金的双光束激光抛光设备及抛光方法，通过第一光纤激光器和第二光纤激光器可发出不同功率的激光光束，实现先预热后激光抛光的加工流程，降低了激光抛光过程中材料表面形成的温度梯度，从源头减少裂纹的产生，来提高加工后的表面质量。相比之下，本发明基于多物理场辅助策略与激光分束器的实际应用，提出了一种多物理场辅助激光抛光的装置及方法。一方面，本装置中通过添加磁场、超声振动和电场作用在材料基体，可以使材料在“融峰填谷”的过程中，促进熔融态材料从峰顶流入峰谷，使表面材料分布更加均匀，在一定程度上抑制裂纹产生的同时，进一步优化熔融态材料的平滑效果。另一方面，本装置在激光器的光学系统中应用分束器元件，将激光束分成三束光束，分别为预热光束、抛光光束和退火光束，由于激光加工时的热影响区远大于基体材料的重熔区，所以在预热光束和退火光束的光路上添加透镜装置，使预热光束和退火光束的光斑面积要大于抛光光束的光斑面积，从而降低温度梯度抑制裂纹的产生。

发明内容

本发明的目的是针对激光抛光过程中，由于快速的熔化至快速的冷却过程中出现温度梯度过大从而产生裂纹和熔融态材料平滑不充分的问题，提出在激光抛光过程中对材料基体施加多物理场和在抛光前后实施预热与退火的措施来促进表面平滑和抑制裂纹的方法，并且设计了一种装置。

本发明的技术方案：一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法，其特征在于通过添加磁场、超声振动、电场和应用分束器元件，可以使材料在“融峰填谷”的过程中，促进熔融态材料从峰顶流入峰谷，使表面材料分布更加均匀，在一定程度上抑制裂纹产生的同时，进一步优化熔融态材料的平滑效果。

所述激光器的光学系统如图4所示，通过电脑输入指定到激光发射器31，发出的光束由扩束镜30进行光斑调控，此时光斑再通过反射进入分束器，分束器将入射光束分为三条光路，其中两束激光由聚焦透镜35放大光斑后通过振镜作用在材料表面，起到预热和退火的作用。

所述磁—声—电场的装置俯视图3所示，由于激光器加工金属材料时要隔绝氧气，所以整个多物理场辅助系统安装在密封腔15中，多物理场辅助系统由环形磁场25、超声振动平台14和通电导线21所组成，需抛光的样品放置在超声振动平台的样品槽内。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法，可降低激光抛光过程中的温度梯度，减少应力的产生，在促进熔融态材料流动的同时优化平滑效果，有效降低表面粗糙度，抑制表面裂纹的产生，提高表面质量。

作为具体的实施方案，图3为磁—声—电场的装置俯视图，其由密封腔、磁场发生装置、超声振动平台、电场发生装置组成。密封腔部分由环形腔体、卡锁、玻璃板盖和导气管组成。在激光加工之前，先通入3—5分钟保护气体用于排出密封腔中的氧气。磁场部分由环形线圈组成，通过调节线圈中通入的电流大小和方向，控制磁场的大小与方向。电场部分由电源、导线组成，导线连接在样品槽两端，电源采用单相可调控交流变频可调电源。声场部分由超声发生器、涂有绝缘层的超声变幅杆和超声振动平台组成，超声变幅杆置于超声振动平台上，通过超声变幅杆带动超声振动平台实现z方向的上下振动。

作为有益的改进，一方面通过前后光斑的预热和退火可以有效降低材料所产生的热应力，抑制抛光过程中裂纹的产生，另一方面，磁—声—电场的装置的辅助作用，可以提高熔融态材料的流速，促进熔融态材料从峰顶到峰谷的平滑效果，降低表面粗糙度，提高抛光后的表面质量。

与现有抑制激光抛光裂纹、提高表面质量的技术相比，该装置一方面通过前后光斑对激光抛光表面进行预热和退火，不仅工作效率高而且成本低。另一方面通过磁—声—电场的的辅助作用可以得到质量更高的表面。综合来看，该装置适合用于金属材料以及难加工的陶瓷材料的激光抛光加工，应用范围广。

附图说明

图1为激光抛光设备主视图；

图2为激光抛光设备俯视图；

图3为本发明多物理场辅助系统俯视图；

图4为本发明激光光学系统示意图；

图中：导气管1、保护气气瓶2、阀门3、警示灯4、把手5、观察镜门框6、防辐射观察镜7、显示屏8 、键盘9、水冷箱10、超声波发生器11、光纤激光器12，直流变频可调电源13、超声振动平台14、密封腔15、支柱16、水冷管17、激光头18、键槽19、超声变幅杆20、导线21、定位螺钉22、激光光斑23、样品定位板24、环形磁场25、密封圈26、第一反射镜27、分束镜28、第二反射镜29、扩束镜30、激光器发射器31、控制卡32、主机33、振镜34、聚焦透镜35。

具体实施方式

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施方案详细说明本公开的技术方案，以下描述中的附图可以视作示意图，并非本公开实例所涉及的产品的实际尺寸，方法的实际流程。

一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法，主要操作步骤：首先将设备显示屏8和光纤激光器12打开，然后打开水冷箱10使激光器在工作时保持24℃左右的室温，通过在显示屏8上框选激光抛光区域后点击预览，确定样品加工区域后关闭密封腔并打开保护气瓶2，当保护气体持续通入3—5分钟左右时开启超声波发生器11、直流变频可调电源13，随后即可使用激光器对材料表面进行抛光处理。

本发明制备的一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法具有良好的可靠性，一方面通过多物理场辅助，可以促进熔融态材料流动，降低表面粗糙度，提高表面质量。另一方面，通过增加预热和退火光束，降低温度梯度，抑制裂纹的产生。与现有其他减少裂纹、提高表面质量的方法相比，具有应用范围广以及成本低廉的优点。

以上所述仅为本公开的优选实施方案，并不限制本公开，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法，其特征在于通过添加磁场、超声振动、电场，使材料在“融峰填谷”的过程中，促进熔融态材料从峰顶流入峰谷，使表面材料分布更加均匀，在一定程度上抑制裂纹产生的同时，进一步优化熔融态材料的平滑效果。

2.一种多物理场辅助激光抛光的装置及抛光方法，其特征在光学系统发射出的三束激光起到预热、抛光、退火的作用，降低了材料表面的温度梯度，抑制裂纹的产生，进一步优化了加工后的表面质量。

3.根据权利要求1所述的多物理场辅助系统，其特征在于由有环形磁场25、超声振动平台24和通电导线21所组成，在进行抛光前，将环形磁场25通上电流，从而产生磁场。所述超声振动平台24由超声变幅杆20和水平平台组成，并且在超声振动平台上设置样品放置区，用于固定样品，使样品沿Z轴方向移动，所述电场部分，主要由直流变频可调电源13和通电导线21组成。

4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于由激光器31发射出的光束经过扩束镜30、第二反射镜29、分束镜28、第一反射镜27、聚焦透镜35后形成光斑大小不一的光束通过振镜作用在材料表面，由于整个抛光过程只使用了一个激光器，所以装置的预热、抛光、退火工艺是同时进行的。

5.根据权利要求1所述的多物理场辅助系统，其环形磁场25能产生的磁场大小为80mT，所述电场大小为300A，所述超声振动平台频率为19.6KHz，最大振幅可以达到52um。

6.根据权利要求2所述的光学系统,所述激光的功率为100—1000W，激光预热光斑长径为0.8mm，抛光光斑直径为0.25mm，退火光斑为0.8mm，抛光区域为100mm*100mm，光斑的移动速度范围是10mm/s—100mm/s。