專利名稱：一種激光加工氣熔比檢測(cè)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光加工中的氣熔比檢測(cè)裝置和方法，特別涉 及激光與材料相互作用的研究方法及其在薄板縫陣類精密零部件激光加工與成形中的應(yīng)用。
技術(shù)背景航空航天飛行器雷達(dá)、導(dǎo)彈天線和輪船導(dǎo)航系統(tǒng)中的高性能鋁合金縫陣天線板，輪廓尺 寸達(dá)100-600mm，厚度僅為O. 3-0.4mm，其上需要加工許多不同方位矩形窄縫，形成縫陣，縫 隙寬度為O. 1-0. 3mm，縫隙的形狀精度和尺寸精度要求達(dá)O. 1-1 y m級(jí)，加工表面質(zhì)量要求Ra <1.6ym，微觀無毛刺和飛邊。再如，應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)的流體凈化和提純的不銹鋼 高密孔隙過濾板，輪廓尺寸達(dá)80-200mm，板厚為O. 5-2mm，其上需要加工大量、微小、高密 分布的孔隙，孔隙形狀為圓形、矩形甚至是異形，孔隙尺寸為O. 1-0. 3mm，受加工深徑比大 小的限制，板厚設(shè)計(jì)受到限制；還有，應(yīng)用于紡織、輕工、印刷等行業(yè)噴絲、噴粉和噴墨的 硬質(zhì)合金噴頭，輪廓尺寸為10-100mm，孔隙尺寸O. 1-0. 3mm，噴頭壁厚O. 1-0. 3mm。此外，急 需開發(fā)醫(yī)用微流道芯片及其不銹鋼微流道制作模具等高效、高質(zhì)量精密加工方法。上述薄板精密結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)是，微細(xì)結(jié)構(gòu)的孔、縫形狀各異而復(fù)雜，尺寸細(xì)小而密集，薄 壁結(jié)構(gòu)；屬于一種輪廓尺寸與厚度之比較大的薄板；零件加工尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì) 量要求高；零件材料為導(dǎo)熱率較高的特殊合金等金屬材料。其加工難點(diǎn)在于，薄壁、薄板精 密零件的加工容易受力、受熱變形；微小孔、縫加工中，受工具尺寸的限制，切削性能差； 傳統(tǒng)加工工藝方法難以滿足加工的高精度、高質(zhì)量和高效率等要求。在激光精密加工中，氣熔比對(duì)加工精度和質(zhì)量有直接影響，因此，研究和開發(fā)激光加工 氣熔比檢測(cè)裝置和方法，具有重要理論意義與應(yīng)用價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)航空航天飛行器雷達(dá)、導(dǎo)彈天線和輪船導(dǎo)航系統(tǒng)中的高性能鋁合金縫陣天線 板的加工技術(shù)難題，研究識(shí)別激光去除材料時(shí)氣化物形態(tài)，采集氣化物流動(dòng)信息，根據(jù)測(cè)量 光束在氣化物傳輸中折射率與密度關(guān)系，識(shí)別氣化物流動(dòng)折射率變化與分布特征，定量分析 不同時(shí)刻激光去除材料的氣化形態(tài)，計(jì)算得到氣化去除材料的重量；結(jié)合精密稱重法，分別 稱量加工后，試件重量和熔化分離物重量，進(jìn)而得到氣化物與熔化分離物重量，研究激光能量輸入對(duì)去除材料氣熔比的影響，提供氣熔比對(duì)薄板縫陣類零件激光加工尺寸，精度和表面 質(zhì)量影響的理論與試驗(yàn)依據(jù)。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是把檢測(cè)光源傳遞至光學(xué)透鏡組，經(jīng)過狹縫、轉(zhuǎn)向反射鏡和主反射鏡，照射置于透光、透 氣玻璃容器中的研究對(duì)象D，當(dāng)激光加工時(shí)，產(chǎn)生加工氣化物狀態(tài)，此狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過主反射 鏡、轉(zhuǎn)向反射鏡和彩色刀口，傳至高速記錄分析儀，由記錄儀分析，得到不同時(shí)刻氣化狀態(tài) 信息，輔助精密稱重法得到氣熔比。檢測(cè)裝置由光源l、第一光學(xué)透鏡組2和第二光學(xué)透鏡組10、狹縫3、第一轉(zhuǎn)向反射鏡4和 第二轉(zhuǎn)向反射鏡8、第一主反射鏡5和第二主反射鏡7、玻璃容器6、研究對(duì)象D、彩色刀口9、 高速記錄分析儀ll組成，第一主反射鏡5和第二主反射鏡7對(duì)稱的布置于玻璃容器6的兩端， 第一光學(xué)透鏡組2位于光源1和狹縫3之間，第二光學(xué)透鏡組10位于彩色刀口9和高速記錄分析 儀11之間，第一轉(zhuǎn)向反射鏡4位于狹縫3之后，能夠?qū)⑼ㄟ^狹縫3的光源傳遞到第一主反射鏡5，第二 轉(zhuǎn)向反射鏡8位于第二主反射鏡7和彩色刀口9之間，能夠?qū)⒌诙鞣瓷溏R7反射來的光源傳遞 給彩色刀口9;其中，光源1為氪燈，第一光學(xué)透鏡組2把氪燈光傳遞至狹縫3;通過狹縫3的 光源通過第一轉(zhuǎn)向反射鏡4傳遞到第一主反射鏡5;第一主反射鏡5把光源1檢測(cè)光照射到玻璃 容器6中的研究對(duì)象D;接著記錄光源1照射到研究對(duì)象D產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象，第二主反射鏡7把 氣化物檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向反射鏡8和彩色刀口9，傳至高速記錄分析儀ll，經(jīng)分析不同 時(shí)刻產(chǎn)生的氣化物狀態(tài)，計(jì)算得出加工區(qū)氣化物重量。上述的激光加工氣熔比檢測(cè)裝置，其檢測(cè)方法是首先，激光加工時(shí)，產(chǎn)生氣化物，基于氣化物光學(xué)紋影測(cè)量原理，檢測(cè)參考光穿過流動(dòng) 氣化物時(shí)折射率變化，識(shí)別氣化物形態(tài)與密度變化，根據(jù)格拉斯德通-戴爾氣態(tài)方程計(jì)算出 不同時(shí)刻材料氣化物密度分布，進(jìn)而計(jì)算出不同時(shí)刻氣化物重量；其次，采用分辨率較高稱重法，精確稱得整個(gè)激光加工前后試件重量，然后，仔細(xì)收集 玻璃容器6中熔化分離物，精確稱得熔化分離物重量，分別得到氣化物與熔化分離物重量及 其氣熔比；其中，對(duì)于均質(zhì)材料不計(jì)直接從基體上剝離掉顆粒的重量，采用上述方法，測(cè)出 氣化與熔化重量之比；對(duì)于不均勻材質(zhì)，收集從基體上剝離掉的顆粒，消除以剝離形態(tài)去除 顆粒的影響，同樣采用精密稱重法，可得到剝離掉顆粒的重量以及去除材料的總重量，從而 修正得到精確的氣化與熔化重量之比；對(duì)于熔化重鑄層，采用金相分析法，對(duì)樣件進(jìn)行基于4圖像處理的重鑄層體積檢測(cè)，消除熔化重鑄層對(duì)去除材料重量的影響，得到精確的氣熔比。
本發(fā)明的有益效果采用氣熔比檢測(cè)裝置和方法，有效掌握激光與材料相互作用狀態(tài)與 條件，通過加工區(qū)氣化與熔化比例的分析與調(diào)控，滿足激光加工產(chǎn)物的高質(zhì)量排除要求，即 提高激光精密成形、精密制造精度和質(zhì)量，是突破原加工設(shè)備的尺寸與質(zhì)量指標(biāo)，加工出更 小尺寸微小結(jié)構(gòu)的有效方法。制作出用于多種材料型腔和結(jié)構(gòu)零件，加工出大量微小孔縫尺
寸為O. 05-0. 2mm，其深徑比達(dá)到20: l的精密結(jié)構(gòu)零件，解決雷達(dá)天線板紡織、石油、化工 領(lǐng)域中的過濾結(jié)構(gòu)件的技術(shù)難題，滿足微結(jié)構(gòu)零部件的圖紙技術(shù)要求，解決微細(xì)塑料模具溝 槽型腔的加工難題，包括尺寸、形狀、位置精度與質(zhì)量要求，提高激光加工精度、質(zhì)量l個(gè) 數(shù)量級(jí)。


附圖是本發(fā)明的激光加工氣熔比檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)光源；2第一光學(xué)透鏡組；3狹縫；4第一轉(zhuǎn)向反射鏡；5第一主反射鏡；6玻璃容 器；7第二主反射鏡；D研究對(duì)象；8第二轉(zhuǎn)向反射鏡；9彩色刀口 ； IO第二光學(xué)透鏡組；ll高 速記錄分析儀。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。 實(shí)施例
把氣熔比檢測(cè)裝置置于如附圖所示的激光加工機(jī)上，當(dāng)激光加工時(shí)，激光束自玻璃容器
6的上窗口照射到容器內(nèi)的研究對(duì)象D，同時(shí)，檢測(cè)光通過玻璃容器6的右窗口，照射激光加 工氣化物，該氣化物狀態(tài)信息由玻璃容器6的左窗口傳出，經(jīng)主第二反射鏡7、第二轉(zhuǎn)向反射 鏡8和彩色刀口9，最終被高速記錄分析儀ll采集、記錄和分析；玻璃容器6為一透明、透氣 容器，允許氣化物隨時(shí)逸出，高速記錄分析儀ll采集、記錄和分析各個(gè)時(shí)刻的氣化物狀態(tài)， 累計(jì)整個(gè)加工過程，其詳細(xì)實(shí)施方式如下
激光加工以50克縫陣天線板時(shí)，測(cè)量光照射加工氣化物，基于氣化物光學(xué)紋影測(cè)量原理 ，檢測(cè)參考光穿過流動(dòng)氣化物時(shí)折射率變化，識(shí)別氣化物形態(tài)與密度變化，根據(jù)格拉斯德通 -戴爾氣態(tài)方程計(jì)算出不同時(shí)刻的材料氣化物密度分布，進(jìn)而計(jì)算出可個(gè)時(shí)刻氣化物重量約5 克；同時(shí)，采用精密稱重法，精確稱得整個(gè)激光加工前后試件重量，然后，仔細(xì)收集玻璃容 器6中熔化分離物，精確稱得熔化分離物重量，分別得到氣化物與熔化分離物重量及其氣熔比，例如，稱重法稱得整個(gè)激光加工前后試件重量之差，即氣化物重量5克，另一方面，仔 細(xì)收集玻璃容器6內(nèi)熔化分離物，稱得熔化分離物總重量5克，得出激光加工去除總重量10克 ，算出氣化與熔化重量之比為l;通過改變激光能量輸入，可控制氣化比大小，例如，加工 總?cè)コ?0克中，8克為氣化物、2克為熔化物，則氣熔比為4，顯然，氣熔比為4的激光加工 質(zhì)量，明顯高于氣熔比為l的加工質(zhì)量達(dá)l個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，對(duì)于均質(zhì)材料不計(jì)直接從基體上 剝離掉顆粒的重量，采用上述方法，測(cè)出氣化與熔化重量之比；對(duì)于不均勻材質(zhì)，收集從基 體上剝離掉的顆粒，消除以剝離形態(tài)去除顆粒的影響，同樣采用精密稱重法，可得到剝離掉 顆粒的重量以及去除材料的總重量，從而修正得到精確的氣化與熔化重量之比；對(duì)于熔化重 鑄層，采用金相分析法，對(duì)樣件進(jìn)行基于圖像處理的重鑄層體積檢測(cè)，消除熔化重鑄層對(duì)去 除材料重量的影響，得到精確的氣熔比；該方法可以用于激光精密切割、銑削、熔覆等多種 加工過程的氣熔比檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種激光加工氣熔比檢測(cè)裝置，其特征是檢測(cè)裝置由光源[1]、第一光學(xué)透鏡組[2]和第二光學(xué)透鏡組[10]、狹縫[3]、第一轉(zhuǎn)向反射鏡[4]和第二轉(zhuǎn)向反射鏡[8]、第一主反射鏡[5]和第二主反射鏡[7]、玻璃容器[6]、研究對(duì)象[D]、彩色刀口[9]、高速記錄分析儀[11]組成，第一主反射鏡[5]和第二主反射鏡[7]對(duì)稱的布置于玻璃容器[6]的兩端，第一光學(xué)透鏡組[2]位于光源[1]和狹縫[3]之間，第二光學(xué)透鏡組[10]位于彩色刀口[9]和高速記錄分析儀[11]之間，第一轉(zhuǎn)向反射鏡[4]位于狹縫[3]之后，能夠?qū)⑼ㄟ^狹縫[3]的光源傳遞到第一主反射鏡[5]，第二轉(zhuǎn)向反射鏡[8]位于第二主反射鏡[7]和彩色刀口[9]之間，能夠?qū)⒌诙鞣瓷溏R[7]反射來的光源傳遞給彩色刀口[9]；其中，光源[1]為氪燈，第一光學(xué)透鏡組[2]把氪燈光傳遞至狹縫[3]；通過狹縫[3的光源通過第一轉(zhuǎn)向反射鏡[4]傳遞到第一主反射鏡[5]；第一主反射鏡[5]把光源[1]檢測(cè)光照射到玻璃容器[6]中的研究對(duì)象[D]；接著記錄光源[1]照射到研究對(duì)象[D]產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象，第二主反射鏡[7]把氣化物檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向反射鏡[8]和彩色刀口[9]，傳至高速記錄分析儀[11]，經(jīng)分析不同時(shí)刻產(chǎn)生的氣化物狀態(tài)，計(jì)算得出加工區(qū)氣化物重量。
2.權(quán)利要求l所述裝置的檢測(cè)方法，其特征是首先激光加工時(shí)，產(chǎn) 生氣化物，基于氣化物光學(xué)紋影測(cè)量原理，檢測(cè)參考光穿過流動(dòng)氣化物時(shí)折射率變化，識(shí)別 氣化物形態(tài)與密度變化，根據(jù)格拉斯德通-戴爾氣態(tài)方程計(jì)算出不同時(shí)刻材料氣化物密度分 布，進(jìn)而計(jì)算出不同時(shí)刻氣化物重量；其次，采用分辨率較高稱重法，精確稱得整個(gè)激光加 工前后試件重量，然后，仔細(xì)收集玻璃容器[6]中熔化分離物，精確稱得熔化分離物重量， 分別得到氣化物與熔化分離物重量及其氣熔比；其中，對(duì)于均質(zhì)材料不計(jì)直接從基體上剝離 掉顆粒的重量，采用上述方法，測(cè)出氣化與熔化重量之比；對(duì)于不均勻材質(zhì)，收集從基體上 剝離掉的顆粒，消除以剝離形態(tài)去除顆粒的影響，同樣采用精密稱重法，可得到剝離掉顆粒 的重量以及去除材料的總重量，從而修正得到精確的氣化與熔化重量之比；對(duì)于熔化重鑄層 ，采用金相分析法，對(duì)樣件進(jìn)行基于圖像處理的重鑄層體積檢測(cè)，消除熔化重鑄層對(duì)去除材 料重量的影響，得到精確的氣熔比。
全文摘要
本發(fā)明屬于精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光加工中的氣熔比檢測(cè)裝置和方法。把檢測(cè)光源傳遞至光學(xué)透鏡組，經(jīng)過狹縫、轉(zhuǎn)向反射鏡和主反射鏡，照射置于透光、透氣玻璃容器中的研究對(duì)象D，當(dāng)激光加工時(shí)，產(chǎn)生加工氣化物狀態(tài)，此狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過主反射鏡、轉(zhuǎn)向反射鏡和彩色刀口，傳至高速記錄分析儀，由記錄儀分析，得到不同時(shí)刻氣化狀態(tài)信息，輔助精密稱重法得到氣熔比。本發(fā)明提高激光精密成形、精密制造精度和質(zhì)量，解決微細(xì)塑料模具溝槽型腔的加工難題，提高激光加工精度、質(zhì)量1個(gè)數(shù)量級(jí)。
文檔編號(hào)G01N5/00GK101672754SQ20091030829
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者徐文驥, 梁延德, 王續(xù)躍, 王連吉 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)