一种基于温度控制的激光减材加工装置及方法与流程

1.本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种基于温度控制的激光减材加工装置及方法。


背景技术：

2.激光减材加工技术是一种与激光增材制造相对应的激光制造技术，具体是利用激光的高能量密度特性，使材料瞬间熔化或汽化，完成材料的切割、打孔、雕刻等减材加工过程。
3.对于切割或打孔等传统激光减材加工技术，通过改变激光参数(激光能量密度、重复频率)或者加工参数(扫描速度、离焦量、进给速度等)来提高材料的去除率，但是这些参数的改变存在一定的局限性，当参数修改到一定程度时，对材料的去除率几乎没有影响，这就使得激光减材加工效率不满足用户所期待的要求。
4.因此，亟需一种基于温度控制的激光减材加工技术来实现高效率的激光减材加工成为研究人员热门的话题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于温度控制的激光减材加工装置及方法，解决了现有金属材料激光减材加工中难以实现高效加工的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种基于温度控制的激光减材加工装置，包括：光路选取系统、成型室、惰性气体源、非接触式温度传感器、计算机控制装置、第一端口塞、第二端口塞、第三端口塞、连通管；
7.所述成型室外部设有所述第一端口塞、第二端口塞、所述第三端口塞；所述第一端口塞、第二端口塞、所述第三端口塞上均设有孔洞；所述成型室内部设有空腔；所述光路选取系统用于产生激光，所述激光通过所述第三端口塞的孔洞进入所述空腔内；所述非接触式温度传感器通过所述第一端口塞的孔洞插入所述空腔内；所述连通管的一端通过所述第二端口塞的孔洞插入所述空腔内，另一端与所述惰性气体源连接；所述光路选取系统、惰性气体源、成型室和所述非接触式温度传感器均与所述计算机控制装置电性连接。
8.优选的，所述光路选取系统包括：减材激光器、减材激光扩束镜、减材扫描振镜、红外加热扫描振镜、红外激光扩束镜、红外激光器；
9.所述减材激光器，用于产生飞秒脉冲激光束；所述飞秒脉冲激光束依次通过所述减材激光扩束镜、减材扫描振镜和所述第三端口塞的孔洞进入所述空腔内；所述红外激光器，用于产生红外激光束；所述红外激光束依次通过所述红外激光扩束镜、红外加热扫描振镜和所述第三端口塞的孔洞进入所述空腔内；所述减材激光器、减材扫描振镜、红外加热扫描振镜和所述红外激光器均与所述计算机控制装置电性连接。
10.优选的，所述成型室包括：喷嘴、工作台、第一支撑板、加工平台和第二支撑板；
11.所述工作台的正中间内嵌有所述加工平台；所述工作台上设有所述第一支撑板和
所述第二支撑板，且均位于所述加工平台的两侧；所述喷嘴与所述第一支撑板固定连接；所述喷嘴还通过所述连通管与所述连通惰性气体源连通；所述第二支撑板上设有孔洞，用于所述非接触式温度传感器穿过所述第一端口塞的孔洞和所述第二支撑板的孔洞进行支撑固定；所述工作台和所述加工平台均与所述计算机控制装置电性连接。
12.优选的，所述红外激光器，用于产生红外激光束；所述红外激光束的波长为≤1.6μm、加热温度为200℃～700℃、保温时间为10～500s，扫描的范围为圆形、方形或椭圆形。
13.优选的，所述减材激光器，用于产生飞秒脉冲激光束；所述飞秒脉冲激光束的脉宽为190fs
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10ps、频率为1khz～1mkhz、功率为0～20w、扫描速度为1～10mm/s、波长为1030nm。
14.一种基于温度控制的激光减材加工方法，具体包括以下步骤：
15.s1、将待加工样品进行预处理，并放置在待加工位置上；
16.s2、对预处理后的待加工样品表面进行加热；同时对所述预处理后的待加工样品表面进行温度监测，并将所述待加工位置的温度调控至目标温度；
17.s3、对加热后的样品进行减材加工处理；
18.s4、将减材加工处理后的样品冷却至室温，并移动至另一处待加工位置上，重复s1～s4，直至完成所有的待加工位置的减材加工处理。
19.优选的，所述s2具体为：
20.开启红外激光器，利用计算机控制装置控制光路选取系统的红外激光器和红外加热扫描振镜向成型室内输送红外激光束对待加工样品表面进行加热；同时计算机控制装置控制非接触式温度传感器监测试样表面温度，并控制惰性气体源通过喷嘴向成形室内输送惰性气体调控样品表面温度，将所述表面温度控制在200～700℃。
21.优选的，所述s3具体为：
22.开启减材激光器，利用计算机控制装置控制减材激光器和减材扫描振镜向成型室内输送飞秒脉冲激光束，对加热后的样品进行减材加工处理。
23.优选的，所述s4具体为：
24.完成减材加工后，关闭减材激光器和红外激光器，计算机控制装置控制惰性气体源通过喷嘴对试样进行降温至室温，然后关闭惰性气体源和非接触式温度传感器；然后将样品移动到另一处待加工位置，重复s1～s2，直至完成所有待加工位置的减材加工处理。
25.优选的，对所述试样表面进行温度监测的具体方法为：利用计算机控制装置控制工作台作水平移动，并控制加工平台作垂直升降运动，将非接触式温度传感器测温段靠近试样进行表面温度监测。
26.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
27.(1)本发明将激光减材加工技术和快速升温/保温相结合，可在激光减材加工时提供一个较高的温度场，大幅提高激光的减材加工效率，实现高效节能。
28.(2)本发明使用红外激光加热，加热时间短，热影响区小，且只对待加工位置区域加热，而其他位置材料不产生热作用影响，不会影响其他位置的金属材料组织性能。
29.(3)本发明能够满足各种金属材料的激光减材加工，且保证只在材料的待加工位置提供稳定的温度场，实现对各种金属材料的高效激光减材加工。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明装置结构示意图；
32.图2为本发明方法流程示意图；
33.图3为本发明实施例的待加工试样在不同凹槽深度中的减材制造结果图；
34.图中，1
‑
光路选取系统；其中，101
‑
减材激光器、102
‑
减材激光扩束镜、103
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减材扫描振镜、104
‑
红外加热扫描振镜、105
‑
红外激光扩束镜、106
‑
红外激光器；2
‑
成型室、3
‑
惰性气体源、4
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喷嘴、5
‑
工作台、6
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第一支撑板、7
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加工平台、8
‑
第二支撑板、9
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非接触式温度传感器、10
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计算机控制装置、11
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第一端口塞、12
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第二端口塞、13
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第三端口塞、14
‑
连通管。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.实施例1
38.由于大部分材料对激光的吸收率会随温度上升而提高，温度上升至熔点时，吸收率大幅提升至40％
‑
50％，而较高的吸收率会使材料吸收更多的能量，形成更深的熔池，从而去除更多的材料。基于此，本发明利用非接触式热源为待加工材料位置提供一定的温度场外加热源来实现高效率的激光减材加工。
39.参照图1所示，本发明提供一种基于温度控制的激光减材加工装置，包括光路选取系统1、成型室2、惰性气体源3、非接触式温度传感器9、计算机控制装置10、第一端口塞11、第二端口塞12、第三端口塞13、连通管14；
40.所述成型室2外部设有所述第一端口塞11、第二端口塞12、所述第三端口塞13；所述第一端口塞11、第二端口塞12、所述第三端口塞13上均设有孔洞；所述成型室2内部设有空腔；所述光路选取系统1用于产生激光，所述激光通过所述第三端口塞13的孔洞进入所述空腔内；所述非接触式温度传感器9通过所述第一端口塞11的孔洞插入所述空腔内；所述连通管14的一端通过所述第二端口塞12的孔洞插入所述空腔内，另一端与所述惰性气体源3连接；所述光路选取系统1、惰性气体源3、成型室2和所述非接触式温度传感器9均与所述计算机控制装置10电性连接。
41.所述光路选取系统1包括：减材激光器101、减材激光扩束镜102、减材扫描振镜103、红外加热扫描振镜104、红外激光扩束镜105、红外激光器106；
42.所述减材激光器101，用于产生飞秒脉冲激光束；所述飞秒脉冲激光束依次通过所述减材激光扩束镜102、减材扫描振镜103和所述第三端口塞13的孔洞进入所述空腔内；所
述红外激光器106，用于产生红外激光束；所述红外激光束依次通过所述红外激光扩束镜105、红外加热扫描振镜104和所述第三端口塞13的孔洞进入所述空腔内；所述减材激光器101、减材扫描振镜103、红外加热扫描振镜104和所述红外激光器106均与所述计算机控制装置10电性连接。
43.所述成型室2包括：喷嘴4、工作台5、第一支撑板6、加工平台7和第二支撑板8；
44.所述工作台5的正中间内嵌有所述加工平台7，用于放置试样；所述工作台5上设有所述第一支撑板6和所述第二支撑板8，且均位于所述加工平台7的两侧；所述喷嘴4与所述第一支撑板6固定连接；所述喷嘴4还通过所述连通管14与所述连通惰性气体源3连通，用于惰性气体输入到成型室2内；所述第二支撑板8上设有孔洞，用于所述非接触式温度传感器9穿过所述第一端口塞11的孔洞和所述第二支撑板8的孔洞进行支撑固定；所述工作台5和所述加工平台7均与所述计算机控制装置10电性连接。
45.所述红外激光器106，用于产生红外激光束；所述红外激光束的波长为≤1.6μm、加热温度为200℃～700℃、保温时间为10～500s，扫描的范围为圆形、方形或椭圆形。
46.所述减材激光器101，用于产生飞秒脉冲激光束；所述飞秒脉冲激光束的脉宽为190fs
‑
10ps、频率为1khz～1mkhz、功率为0～20w、扫描速度为1～10mm/s、波长为1030nm。
47.参照图2所示，本发明提出一种基于温度控制的激光减材加工方法，具体包括以下步骤：
48.s1、将待加工样品进行预处理，并放置在待加工位置上；
49.将待加工样品表面进行打磨、清洗、干燥等预处理，并放置在加工平台7的待加工位置上；
50.s2、对预处理后的待加工样品表面进行加热；同时对所述预处理后的待加工样品表面进行温度监测，并将所述待加工位置的温度调控至目标温度；
51.开启红外激光器对待加工试样的表面进行加热：利用计算机控制装置10控制光路选取系统1的红外激光器106和红外加热扫描振镜104向成型室2内输送红外激光束对工件表面进行加热；同时计算机控制装置10控制非接触式温度传感器9监测试样表面温度，并控制惰性气体源3通过喷嘴4向成形室2内输送惰性气体调控试样表面温度，将表面温度控制在200～700℃；
52.对所述试样表面进行温度监测：利用计算机控制装置10控制工作台5作水平移动，并控制加工平台7作垂直升降运动，将非接触式温度传感器9测温段靠近试样进行表面温度监测。
53.使用红外激光加热，输出波长为1.6μm以下的红外激光，可以实现目标温度为200℃～700℃，保温10～500s，扫描的范围可实现圆形、方形和椭圆形。
54.s3、开启减材激光器对试样进行减材加工处理：利用计算机控制装置控制减材激光器和减材扫描振镜，进行激光减材加工；
55.计算机控制装置10控制与其电信号连接的光路选取系统1中的减材激光器101及减材扫描振镜103向成型室2内输送飞秒脉冲激光束，对已加热的待加工位置进行减材加工；激光功率为1.5w，光斑大小为6.15μm，重复频率为10khz，扫描速度为7mm/s；
56.激光减材加工时采用的激光为飞秒脉冲激光束，脉宽为190fs
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10ps，频率为1khz～1mkhz，功率为0～20w，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm。
57.s4、完成减材加工后，关闭减材激光器101和红外激光器106，计算机控制装置10控制惰性气体源3通过喷嘴4对试样进行降温至室温后关闭惰性气体源3和非接触式温度传感器9；然后将试样移动到另一个待加工工位，重复步骤s1和s2，直至完成所有待加工位置的减材加工处理。
58.结合图1和图2所示，本发明以10mm
×
10mm
×
5mm的ti6al4v合金作为激光减材加工对象为例进行说明，选用激光功率为1.5w，光斑大小为6.15μm，重复频率为10khz，扫描速度为7mm/s。
59.在激光工艺参数不变的情况下，提高待加工试样表面温度，激光减材加工所成形的凹槽深度由5.7μm增大到6.18μm，减材制造结果如图3所示。
60.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。