[發明專利]一種高速監拍光磁復合加工瞬態過程的裝置

在審

• 申請號: 202210352633.3
• 申請日: 2022-04-06
• 公開（公告）號: CN114888462A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 王后孝;徐燁;雷盼珂;鄭宏宇;吳永玲
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: B23K26/70
• 分類號: B23K26/70;B23K26/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種高速監拍光磁復合加工瞬態過程的裝置，該裝置包括激光加工單元、磁場輔助單元和實時監測單元。磁場輔助單元可調控激加工過程中等離子體的運動、形態、密度及分布，從而改善激光加工質量，提高激光加工效率。實時監測單元可對激光加工過程中的瞬態過程及物理現象進行便捷直觀的實時觀測、記錄與分析。本發明設計的激光加工系統，可實現激光打孔、激光切割與激光焊接三種激光加工方式。

技術領域

本發明涉及激光制造與加工領域，尤其涉及一種高速監拍光磁復合加工瞬態過程的裝置。

背景技術

激光加工是一種非接觸式加工方法，是現有先進制造技術之一。與傳統的機械加工方法相比較，激光加工具有加工速度快、經濟效益高、加工材料范圍廣以及加工過程無污染等優勢，已被廣泛應用于航空航天、國防、軍工、交通運輸等重要領域。然而，在激光加工過程中，激光功率密度越高，材料加熱熔化和氣化越劇烈，所產生的蒸氣和等離子體也就越稠密。等離子體越稠密，對激光輻照能量的屏蔽效應就越明顯，激光加工的效率就會顯著降低。而且，激光加工過程是一個復雜的熱過程，激光加工表面殘留物的凝固不僅改變了冶金狀態，也會導致產生重鑄層、微裂紋和飛濺沉積物等問題。

為了解決上述問題，研究人員嘗試把磁場引入激光加工過程中，利用磁場對等離子體的影響特性，達到提高加工效率和改善加工質量的目的。在激光打孔過程中，磁場可以疏散入射激光束和激光輻照區之間的光致等離子體，降低等離子體的密度，從而減弱等離子體對入射激光束的屏障效應以及光學反射、散射和折射作用，從而提高激光打孔的效率，改善成孔的質量。在激光焊接過程中，磁場可以調控等離子體，提高入射激光的利用率，增加熔深，同時可以改變熔池金屬的傳質與傳熱過程，改善焊縫成形，提高焊接質量。在激光切割過程中，磁場輔助法同樣可以提高切割質量與效率，同時消減或避免激光切割過程的不穩定性。

然而，在激光打孔、激光焊接或者激光切割過程中，激光熔化材料后形成的熔融金屬的動態行為也會對加工質量產生一定的影響。而且，在激光加工過程中會產生帶有飛濺和煙塵的刺眼強光，導致難以用肉眼直接觀測并分析熔融金屬的瞬態行為，也不能實時記錄液態金屬流動和金屬熔噴等實時圖像信息，從而難以深入地研究激光加工的物理過程與機理。因此，迫切需要設計發明一種能夠實時有效地對激光加工瞬態過程進行便捷直觀的實時觀測、記錄與分析的裝置。

發明內容

針對現有裝置和技術中存在的不足，本發明提出并設計提供了一種高速監拍光磁復合加工瞬態過程的裝置，通過高速攝像實時監測對磁場調控下的激光加工過程中的瞬態過程及物理現象進行便捷直觀的實時觀測、記錄與分析，從而為深入地研究磁場輔助激光加工物理過程及機理提供了一種新的思路與裝置。

本發明是通過以下技術手段實現的。

一種高速監拍光磁復合加工瞬態過程的裝置，包括激光加工單元、磁場輔助單元和實時監測單元。所述實時監測單元通過支板安裝在激光加工單元的機床底座的滑塊上，使得實時監測單元可在Y軸方向上移動。所述磁場輔助單元安裝在激光加工單元的激光頭上。

所述激光加工單元包括機床底座、滑軌、齒條、滑塊、Y軸支撐箱、X軸支架、X軸支撐箱、絲杠、激光頭、左側送樣傳送帶和右側送樣傳送帶。滑軌與齒條固連在機床底座上，滑軌上安裝有滑塊。Y軸支撐箱通過螺栓安裝在滑塊上。Y軸支撐箱中的齒輪與齒條相嚙合。X軸支架安裝在左右兩側的Y軸支撐箱上，在X軸支架上同樣安裝有滑軌和齒條，X軸支撐箱以相同的安裝方式安裝在X軸支架上。通過步進電機控制齒輪與齒條配合，可實現激光頭沿X軸和Y軸的移位。X軸支撐箱內安裝有絲杠，通過伺服電機控制絲杠旋轉，可實現激光頭在Z軸上的移動。當需要實現激光打孔或切割功能時，只需將工件固定安裝在任意送樣傳送帶上，通過控制激光頭在X、Y、Z三個方向上的移動，便可在工件上進行激光打孔或激光切割。當需要實現激光焊接功能時，需將焊件分別安裝在左右兩側的送樣傳送帶上，通過伺服電機控制Y軸支撐箱內的齒輪與機床底座上的齒條相配合，使激光頭能沿Y軸方向均速作用在左右兩塊工件的連接處，形成高質量焊縫。