基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工方法及系统与流程

本申请涉及激光加工，特别是涉及一种基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工方法及系统。

背景技术：

1、目前，陶瓷材料、钕铁硼磁材等硬脆材料以及复合材料，在航空航天、半导体、通讯、运输等行业中有着大量应用，其中不乏厚度较大的零部件，最大厚度可达40mm以上。这些零部件的工况恶劣，对加工精度、崩边、微裂纹等方面的要求非常严格。然而，硬脆材料在厚度超过10mm后加工难度急剧上升，通常只能以牺牲效率的多道加工方式和较高的成本为代价完成加工。

2、相关技术中，硬脆材料的加工方式主要包括：常规激光加工，利用高能量密度的激光束瞬间熔化或气化材料，属于热烧蚀加工，加工硬脆材料时崩边严重，且存在激光发散角造成的锥度问题；金刚石线锯切割，属于纯机械磨削，加工速度慢且金刚线耗材成本高，一般难以加工超过20mm的硬脆材料；磨料水刀切割，加工速度较慢，且存在水污染、磨料残留以及加工锥度问题；超声波辅助机械加工，效率极低且设备昂贵。液体引导激光加工将激光经光纤柔性传输至激光加工头，与带压力的超纯液体射流耦合后经喷嘴喷出，激光在液体射流内通过全反射传输至加工表面进行加工；相比传统干激光加工，其在每个加工脉冲周期内的非激光作用时间持续冷却被加工材料，有效降低了热影响、提高了加工质量，柱形激光束规避了发散角造成的加工锥度；但由于每个激光加工周期中包含冷却时间，其加工速度较慢，且随材料厚度增加显著下降。

3、因此，现有液体引导激光加工至少存在以下问题：相邻脉冲之间缺乏热连续性，每个激光脉冲均近似作用于已充分冷却的材料区域，前一脉冲形成的残余热状态难以被后续脉冲利用；热能利用率较低，为避免热损伤，较长的脉冲间隔使绝大部分加工周期处于冷却过程，大量热能尚未参与材料去除即被液体射流带走；裂纹扩展过程不连续，相邻脉冲之间材料几乎完全恢复，应力场重新建立，裂纹需重新起裂而难以连续推进。上述问题极大地限制了液体引导激光加工的加工效率，亟需一种能够兼顾加工效率与加工质量的液体引导激光加工方法及系统。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工方法及系统，可有效提高厚硬脆材料的加工效率，并在提高加工效率的同时保持加工质量。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工方法，所述方法包括：确定加工参数，包括：确定包络内相邻子脉冲之间的第一时间间隔；根据目标热积累状态确定各所述包络内的子脉冲数量，以使单个所述包络作用形成对应的单包络材料去除深度；根据待加工材料的加工区域的冷却恢复时间确定相邻所述包络之间的第二时间间隔，以使所述加工区域在下一包络作用前处于未恢复至初始温度的非完全冷却状态；根据包络作用频率及所述单包络材料去除深度确定扫描速度；按照所述加工参数生成激光脉冲序列，所述激光脉冲序列包括多个所述包络，各所述包络包括多个按所述第一时间间隔排列的所述子脉冲；将所述激光脉冲序列耦合入带压液体射流，并在所述液体射流内全反射传输至所述待加工材料的加工区域进行材料去除，所述液体射流在无激光作用期间对所述加工区域进行冷却，并控制激光加工头与所述待加工材料按所述扫描速度相对运动进行至少一个道次的扫描加工。

4、第二方面，本申请提供了一种基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工系统，包括控制模块、激光源模块、液体射流生成模块、激光加工头模块和运动执行模块；所述控制模块被配置为确定加工参数，包括：确定包络内相邻子脉冲之间的第一时间间隔；根据目标热积累状态确定各所述包络内的子脉冲数量，以使单个所述包络作用形成对应的单包络材料去除深度；根据待加工材料的加工区域的冷却恢复时间确定相邻所述包络之间的第二时间间隔，以使所述加工区域在下一包络作用前处于未恢复至初始温度的非完全冷却状态；根据包络作用频率及所述单包络材料去除深度确定扫描速度；所述激光源模块用于按照确定的所述加工参数生成激光脉冲序列，所述激光脉冲序列包括多个所述包络，各所述包络包括多个按所述第一时间间隔排列的所述子脉冲；所述液体射流生成模块用于生成带压液体射流；所述激光加工头模块用于将所述激光脉冲序列耦合入所述带压液体射流，使所述激光脉冲序列在所述液体射流内全反射传输至所述待加工材料的加工区域进行材料去除，所述液体射流在无激光作用期间对所述加工区域进行冷却；所述运动执行模块包括立柱、工作台和床身，用于驱动所述激光加工头模块与所述待加工材料按所述扫描速度相对运动，以进行至少一个道次的扫描加工。

5、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

6、本申请提供的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法及系统，通过确定加工参数、生成激光脉冲序列并耦合加工执行，实现子脉冲时间尺度、包络时间尺度、包络间恢复时间尺度与空间扫描尺度的协同控制：第一时间间隔与子脉冲数量的确定，使相邻子脉冲的热效应在加工区域累积，单个包络形成对应的单包络材料去除深度，改变了常规液体引导激光加工中每个脉冲独立作用、热能无法累积的状况；第二时间间隔根据冷却恢复时间确定，使加工区域在下一包络作用前处于非完全冷却状态，既避免连续热积累导致的热损伤，又保留部分热积累供后续包络利用，突破了完全冷却造成的效率瓶颈；扫描速度根据包络作用频率及单包络材料去除深度确定，使同一加工位置受到多个包络的连续作用，材料去除深度在空间上累积，裂纹得以持续扩展而非每次重新起裂。由此，本申请在保持低热损伤、高精度和无锥度优势的同时，显著提高了厚硬脆材料的单道次去除深度与加工效率。

1.基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述第一时间间隔小于所述待加工材料的局部热弛豫时间，以使相邻所述子脉冲的热效应在所述加工区域累积；所述第一时间间隔为所述局部热弛豫时间与预设时间比例系数的乘积，所述预设时间比例系数小于1且根据目标加工模式确定，所述预设时间比例系数越小，相邻子脉冲作用时所述加工区域保留的热状态越高。

3.根据权利要求2所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述局部热弛豫时间为所述待加工材料的有效热影响尺寸的平方与四倍有效热扩散率的比值；所述有效热影响尺寸为激光直接作用区域与激光作用结束后在预设热状态阈值以上持续存在的热影响区域共同形成的尺寸，所述有效热影响尺寸通过热传导模型计算、数值仿真、实验测量、加工结果标定中的至少一种方式获得，所述有效热扩散率通过材料数据库、加工温度变化模型或打样实测数据获得。

4.根据权利要求1所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述包络内的子脉冲数量按如下方式确定：

5.根据权利要求4所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述单包络材料去除深度为包络有效热影响尺寸与预设深度系数的乘积，所述包络有效热影响尺寸为单个包络作用期间激光直接作用区域与激光作用结束后在预设热状态阈值以上持续存在的热影响区域共同形成的有效尺寸，所述预设深度系数根据目标加工模式确定；所述目标加工模式包括高质量模式、平衡模式与高效率模式，不同目标加工模式对应不同的包络目标热积累系数和/或预设深度系数。

6.根据权利要求1所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述第二时间间隔根据所述冷却恢复时间与冷却恢复系数确定，满足：

7.根据权利要求6所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述冷却恢复时间根据热交换模型确定，满足：

8.根据权利要求1所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，所述包络作用频率由包络持续时间及所述第二时间间隔确定；同一加工位置在单道次内受到至少一个所述包络的作用，各包络的单包络材料去除深度累积形成道次材料去除深度；同一加工位置在单道次内受到的包络数量为所述道次材料去除深度与所述单包络材料去除深度的比值，所述扫描速度为所述液体射流的有效作用直径与所述包络作用频率的乘积同所述包络数量的比值。

9.根据权利要求1所述的基于多时间尺度与空间耦合控制的液体引导激光加工方法，其特征在于，在加工过程中，根据加工深度的变化和/或目标加工模式的切换，对所述第一时间间隔、所述包络内的子脉冲数量、所述第二时间间隔以及所述扫描速度中的至少一项进行调整。

10.基于多时间尺度与空间耦合控制的激光加工系统，其特征在于，包括控制模块、激光源模块、液体射流生成模块、激光加工头模块和运动执行模块；