一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置及方法

技术领域

本发明属于特种能场辅助制造与监测技术领域，更具体地，涉及一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置及方法。

背景技术

为了满足航空航天领域对轻量化和安全性的持续要求，越来越多的高强度材料被用于制造复杂构件，例如防凝结的超疏水界面微纳结构制备、风洞中laval喷管复杂壁面加工，但这类结构成形困难，制造难度大。

超快脉冲激光微细加工是一种形位精度高的非接触式加工工艺，通过皮秒或飞秒级激光聚焦诱导介质光学击穿，产生致密、不透明等离子体，利用等离子体热传导作用到材料上，令材料熔化或汽化去除。这种加工工艺不受材料强度限制，可用于加工航空航天领域高强材料，效率和精度高且热影响区小，但加工稳定性不足，还会发生气蚀现象。

现有研究表明，特种能场辅助成形技术可显著提高材料的成形效率和质量，通过引入至超快脉冲激光微细加工，能优化高强难变形材料加工过程，但目前多能场辅助技术在制造领域的应用不多，同时对于多能场耦合作用的监测也尤为重要。

因此，亟待开发出一种多能场辅助加工技术和监测技术，精准控制加工参数，显著提高材料性能和质量，并监测加工状态，保证工艺稳定性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置及方法，用以实现多能场辅助超短脉冲激光微细加工状态的精确监测。

为实现上述目的，本发明提供了一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置，其特征在于，包括：加工单元、辅助单元、监测单元、控制单元，其中，所述加工单元包括：超短脉冲激光器、光路元件、运动平台、玻璃槽，通过控制所述运动平台，使所述超短脉冲激光器发出的激光通过所述光路元件后聚焦在工件表面，以诱导等离子体进行微细加工；所述工件位于所述玻璃槽中；所述辅助单元包括：超声振动装置、电磁装置和水循环装置，分别用于产生特定声场、磁场和流场，通过声场-磁场-流场耦合作用，辅助激光加工；所述监测单元用于获取光场、声场、流场和温度场信息并通过图像模式反映，从而监测所述玻璃槽内的加工状态；所述监测单元包括：相机、热像仪和纹影仪；其中，所述纹影仪包括两条光路，每条光路都包括光源、凹面镜、凸透镜和刀口；所述光源发出的光依次通过所述凹面镜、所述玻璃槽内激光加工区域、所述凸透镜和所述刀口，并被相应的相机捕捉；所述热像仪位于所述玻璃槽的一侧，用于获取所述玻璃槽内的温度信息；所述控制单元用于调整所述加工单元、辅助单元、监测单元的控制参数。

进一步地，所述加工单元还包括：水冷机、基座、靠背、面包板，所述超短脉冲激光器放置在所述靠背上表面，并与所述水冷机通过进出水管连接；所述玻璃槽水平放置在所述面包板的中央区域，且所述玻璃槽和所述面包板的对角线重合；所述面包板放置在所述运动平台上，所述运动平台安装在所述基座上表面。

进一步地，所述电磁装置包括两个电磁铁、两个旋转圆盘、两个直线电机、两个直流励磁电源；所述两个电磁铁分别与两个直流励磁电源连接；其中，所述两个直线电机分别位于所述面包板对角线的顶角处，所述两个旋转圆盘分别安装在两个直线电机上，所述两个电磁铁分别安装在两个旋转圆盘上，通过两个直线电机带动两个旋转圆盘反向转动相同角度。

进一步地，所述电磁铁两极端面与激光焦点的水平距离相同，且所述电磁铁极面为弧形曲面。

进一步地，所述监测单元还包括：悬挂板、转盘、伸缩杆、转动块；所述热像仪安装在转动块上，所述转动块可绕着转轴旋转，所述转动块与所述伸缩杆连接，通过所述伸缩杆可以上下移动所述热像仪；所述伸缩杆安装在所述转盘上，所述转盘安装在所述悬挂板上，所述悬挂板固定在所述靠背上。

进一步地，所述运动平台为三自由度运动平台，用于实现玻璃槽中的工件沿着X轴、Y轴直线移动以及所述光路元件中入射激光头沿Z轴直线移动。

进一步地，所述超声振动装置包括超声波发射头、换能器、发生器、底座、防水外壳；所述换能器封装在所述防水外壳中，所述防水外壳固定在底座上，所述底座平放在玻璃槽中，所述超声波发射头尾部、所述发生器均与所述换能器连接；所述超声波发射头水平放置、指向与所述玻璃槽底面平行，正对着所述激光加工区域并与其保持一定距离。

进一步地，所述水循环装置包括循环水泵、进水管、排水管，所述进水管与排水管一端放在所述玻璃槽中，另一端连接所述循环水泵；通过控制循环水泵的转速带动所述玻璃槽内液体流动，从而形成流速和流向变化可控流场。

进一步地，所述控制单元包括门控装置，所述门控装置与所述相机连接，用于控制相机快门的开启与闭合时刻，针对微细加工过程中等离子体状态演变过程、气泡脉动过程、材料去除过程，设定相应的时间尺度，以便实现不同时间尺度的加工状态监测；所述控制单元还用于针对不同观测对象的空间尺度，调节所述相机和热像仪的放大倍数和焦距，以便准确观测到每个观测对象的演变趋势，所述观测对象包括等离子体、气泡、去除颗粒以及周围流体。

本发明另一方面提供了一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测方法，采用上述多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置，包括：

将工件放入所述玻璃槽中；调整所述超声振动装置、电磁装置和水循环装置的控制参数，以及相应部件的位置；调节激光的控制参数，并通过所述运动平台调整激光焦点位置；调整所述相机与热像仪的位置，使所述相机的镜头正对激光加工区域、所述热像仪位于监测加工状态的最佳位置；调整所述光源、凹面镜、凸透镜和刀口，使所述光源发出的光被所述相机捕捉；调节所述相机和热像仪的放大倍数和焦距，并通过门控装置控制相机快门的拍摄时刻；控制所述超短脉冲激光器出光，同时触发所述相机和热像仪进行监测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明在超短脉冲激光微细加工过程中引入声场-磁场-流场耦合作用，采用特种能场辅助制造技术，可应用于高强度难成形材料表面改性与微纳结构制造，显著提高航空航天领域精密构件的加工制造效率和质量，改善超短脉冲激光微细加工性能和质量，制备微纳尺度的复杂结构，例如：防凝结超疏水界面微纳结构、风洞中laval喷管复杂壁面等。同时，本发明利用高倍率ICCD相机，调节放大倍数，配合门控装置，观测不同时间和空间尺度下等离子体演变过程、气泡脉动过程以及材料去除过程，捕捉加工过程中流场、光场、声场的信号变化，并利用热像仪全方位观测加工区域和周围流体的温度场变化，最终实现多能场辅助超短脉冲激光微细加工状态的精确监测，全自动监测网络有利于保证材料加工质量，提高产品合格率。

(2)本发明利用光源、凹面镜、凸透镜和刀口，设计双光路纹影仪观测系统，实现激光加工区域的双向观测，配合高分辨率和放大倍数的ICCD相机，便于观测X-Z平面、Y-Z平面的等离子体外形演变、气泡脉动流动、残渣去除和排除过程。

(3)本发明利用相对激光聚焦区域距离相同的两个电磁铁，配合电磁铁弧形电极面设计，实现对称均匀磁场线分布，通过直线电机带动两个旋转圆盘反向转动相同角度，从而改变磁场方向；同时，本发明中直线电机安装在面包板上，面包板上有很多安装孔，直线电机通过不同的安装孔进行装配，可以改变电磁铁与聚焦区域的相对方位，可以进一步调节磁场强度与方向。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的超短脉冲激光器及光学元件示意图；

图3为本发明实施例提供的激光光路示意图；

图4为本发明实施例提供的水冷机示意图；

图5为本发明实施例提供的超声振动装置结构图；

图6为本发明实施例提供的加工区域布控图；

图7为本发明实施例提供的循环水泵示意图；

图8为本发明实施例提供的ICCD相机观测装置结构图；

图9为本发明实施例提供的热像仪观测装置结构图；

图10为本发明实施例提供的加工与观测工作流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-超短脉冲激光器，2-三自由度运动平台，3-方形透明玻璃槽，4-大理石基座，5-大理石靠背，6-ICCD相机，7-热像仪，8-控制箱，9-水冷机，10-进水孔，11-出水孔，12-显示屏，13-温度信号接口，14-扩束器，15-反射镜，16-振镜，17-超声波发射头，18-防水外壳，19-发生器，20-底座，21-电缆孔，22-电磁铁，23-旋转圆盘，24-直线电机，25-面包板，26-励磁电源，27-循环水泵，28-进水孔，29-排水孔，30-电缆孔，31-三脚架，32-悬挂板，33-转盘，34-伸缩杆，35-转动块，36-凸透镜，37、38-刀口，39、40-光源，41、42-凹面镜，43、44-凸透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如附图1所示，本发明提供了一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置，其包括加工单元、辅助单元、监测单元、控制单元，其中，

加工单元包括超短脉冲激光器1、光路元件、三自由度运动平台2、方形透明玻璃槽3、水冷机9、大理石基座4、大理石靠背5、方形面包板25，所述三自由度运动平台2包括X轴移动平台、Y轴移动平台及Z轴，用于实现玻璃槽3中的工件沿着X轴、Y轴直线移动以及光路元件中入射激光头沿Z轴直线移动，从而使超短脉冲激光器发出的激光通过光路元件后聚焦在工件表面或液体中以便诱导等离子体进行微细加工。

辅助单元包括超声振动装置、电磁装置和水循环装置，超声振动装置、电磁装置、水循环装置分别用于产生特定声场、磁场和流场，利用多场耦合作用，改善激光加工工艺性能和产品质量。具体的，就超声振动装置而言，超声波扩宽了电火花放电间隙范围，使放电通道产生波动，由于表面张力作用原本无法及时排出的熔融材料在超声振动交变应力作用下有效排出，提高表面光洁度，避免不正常电火花放电过程，最终提高材料去除效率和电机损耗率，并改善表面质量；就电磁装置而言，调整磁场强度与方向能改变放电等离子体外形和能量分布，最终影响工件加工的尺寸精度和表面质量；就水循环装置而言，流场产生的冲刷力作用到加工区域，对工件表面有冷却作用，减小热影响区，降低热应力，有利于提高加工质量，同时促进材料去除颗粒的排放，避免材料凸起引起不正常放电加工，此外，流场也会影响等离子体的外形和能量分布。如此，声场-磁场-流场的耦合作用共同影响着等离子体的时空演变过程和材料去除过程，使加工性能和表面质量得到优化。

监测单元包括相机6、热像仪7和纹影仪，用于获取光场、声场、流场和温度场信息并呈现为图像。优选地，相机6为ICCD相机。

控制单元包括门控装置、激光工艺参数控制系统、多能场参数控制系统及其他辅助参数控制系统，以上控制模块都集中布置在控制箱8中，所述门控装置与ICCD相机6相连接，以便实现不同时间尺度的加工状态观测。

具体的，如附图1、图2、图3和图4所示，超短脉冲激光器1放置在大理石靠背5上表面，并与水冷机9通过进出水管连接，光路元件包括扩束器14、多个反射镜15、振镜16及凸透镜36，所用超短脉冲激光器1为皮秒激光器或飞秒激光器，超短脉冲激光器1发出的激光器通过扩束器14扩展激光束的直径，以便通过凸透镜36聚焦时增大会聚角，扩束后的激光经过多个反射镜15后作用到振镜16上，随后穿过凸透镜36在玻璃槽3内聚焦，方形透明玻璃槽3水平放置在面包板25的中央区域，方形玻璃槽3和方形面包板25的对角线重合，面包板25放置在三自由度运动平台2上，运动平台2的X轴移动平台安装在大理石基座4上表面，Y轴移动平台安装在X轴移动平台上，运动时Y轴与X轴移动平台密切配合。

如附图5和图6所示，超声振动装置包括超声波发射头17、换能器、发生器19、底座20、防水外壳18，超声波发射头17尾部与换能器紧密连接，在换能器与发生器19上都有电缆孔，两者通过防水电缆连接，换能器封装在方形防水外壳18中，防水外壳18固定在底座20上，底座20平放在玻璃槽3中，超声波发射头17所指方向与玻璃槽3底面平行，水平放置，正对着激光聚焦区域并与之保持一定距离作，从而使超声波直接用到聚集区域且避免距离太近超声波发射头17被等离子体烧蚀。

如附图6所示，电磁装置包括两个电磁铁22、两个直流励磁电源26、旋转圆盘23、直线电机24，两个电磁铁22分别位于方形面包板25对角线的顶角处，在电磁铁22上有电缆孔，接上电缆与直流励磁电源26连接，由于面包板25和玻璃槽3的对角线重合，得以保证电磁铁22两极端面与激光焦点的水平距离相同，保证磁场线始终相对聚焦区域对称，电磁铁22的电极面是弧形曲面，有利于形成匀强磁场，电磁铁22安装在两个旋转圆盘23上，通过底部直线电机24带动旋转圆盘23转动，从而使固定在圆盘23上的电磁铁22发生偏转，进而改变磁场方向，电机24安装在面包板25上，面包板25上有很多安装孔，电机24通过不同的安装孔进行装配，可以改变电磁铁22与聚焦区域的相对方位，从而调节磁场强度与方向。

如附图1和图7所示，水循环装置包括循环水泵27、进水管、排水管，循环水泵27安放在大理石基座4左侧，在循环水泵27上设置两个插孔，进水口28和排水口29分别连接进水管和排水管，循环水泵27的左端面布置电缆孔30，可接外控线连接到控制箱8中，根据需求通过安放进水管与排水管在玻璃槽3中特定位置，同时通过控制循环水泵27的转速带动玻璃槽3内液体流动，从而形成流速和流向变化可控流场。

如附图1、图6、图8所示，纹影仪包括两条光路，每条光路上分别有光源、凹面镜、凸透镜和刀口，位于面包板25板面左上方的光源40朝右照射，位于面包板25板面右下方的光源39朝上照射，两个凹面镜41、42分别位于面包板板面的上方和右侧，两个凸透镜43、44分别位于面包板25板面的下方和左侧，ICCD相机配备两个，放大倍数可达5000倍，通过三脚架分别固定在实验平台的正前方和左侧方，使镜头的中心轴线穿过激光聚焦区域，两个刀口37、38分别设置在ICCD相机镜头前方，光源39、40发出的光经过凹面镜41、42转变为平行光，透过玻璃穿过激光聚焦区域后再次从玻璃中射出，并经过凸透镜43、44重新聚焦，通过刀口37、38削弱一定光强后最终被ICCD相机捕捉，CCD相机6配备两个，放大倍数可达5000倍，通过三脚架31分别固定在实验平台的正前方和左侧方，使镜头的中心轴线穿过激光聚焦区域，便于观测X-Z平面、Y-Z平面的等离子体外形演变、气泡脉动流动、残渣去除和排除过程，在ICCD相机左侧有两个端口，用于连接电源线和外控线，外控线的另一端连接至控制箱8中。

如附图1和图9所示，热像仪7位于玻璃槽3的右侧，安装在转动块35上，转动块35可绕着转轴旋转，通过套筒式伸缩杆34上下移动改变热像仪所处高度，伸缩杆、转轴内部都为镂空结构，布置控制线，伸缩杆34安装在转盘33上，转盘33安装在悬挂板32上，共同调节旋转转盘33和转轴可以改变热像仪7镜头方向，使镜头能指向半球面范围内的任意角度，多角度观测等离子体温度分布、气泡脉动温度分布以及周围流体温度梯度演变，悬挂板32固定在大理石靠背5上。

整套设备工作时，由控制箱8控制激光加工参数和多辅助能场参数(声场-磁场-流场)，门控装置、激光工艺参数控制系统、多能场参数控制系统和其他辅助参数控制系统全部集成在控制箱8中，便于对整个多能场辅助超短脉冲激光微细加工过程工艺参数进行统筹控制。

门控装置与两台ICCD相机6连接，针对微细加工过程中等离子体状态演变过程、气泡脉动过程、材料去除过程，根据选定的研究对象，设定相应的时间尺度(ns级，μs级，ms级等)，发出脉冲控制信号控制ICCD相机6快门的开启与闭合时刻，以便准确观测到每个研究对象的演变趋势。

激光工艺参数控制系统与运动平台2、激光器1、振镜16、水冷机9连接，控制运动平台2沿X轴、Y轴的水平移动以及Z轴的上下移动、激光器1的出射功率和频率、振镜16的扫描路径，水冷机9的出水温度实时传输至激光工艺参数控制系统，当检测温度偏高，则自动调低水冷机9的设定水温，检测温度超过设定水温的5℃时控制系统报警，并使激光器1停止出光。

多能场参数控制系统分别与发生器19、直流励磁电源26、直线电机24、循环水泵27连接，利用多能场参数控制系统发出指令，分别控制发生器19电压、直流励磁电源26电流、直线电机24转速以及循环水泵27的传动轴转速，进而分别改变超声波功率大小、磁场强度、磁场方向、流场流速，实现声场-磁场-流场的多耦合能场作用，辅助超短脉冲激光加工，提高其加工性能和质量。

其他辅助参数控制系统与转盘33、伸缩杆34、转轴连接，用于调控热像仪7观测角度，以便全方位地观测玻璃槽3内的聚焦区域和周围流场的温度变化，还与热像仪7和ICCD相机6相连接，针对观测对象(等离子体、气泡、去除颗粒、周围流体等)的空间尺度(μm级、nm级、cm级等)，调节热像仪7和ICCD相机6放大倍数和焦距，从而精准捕捉和观测目标。

考虑工件材料特性，为了降低材料热加工导致的应力，采取浸液式激光加工，观测平台主要用于观测玻璃槽3内的等离子体外形和温度演变状态、残渣在流场中的运动轨迹、气泡的运动轨迹和脉冲过程以及附近流场的温度梯度变化，玻璃槽3内的液体根据加工材料进行选择。

如附图10所示，平台工作时，首先将工件放入玻璃槽3中，移动电磁铁22、超声波发射头17至固定位置，并根据流场的需要将循环水泵27的进水管和排水管固定在玻璃槽3内相应位置，向玻璃槽3中注入液体；

通电后通过控制箱8调节励磁电源26大小、直线电机24转速，从而改变磁场强度、磁场方向，调节超声波装置的发生器19，改变超声功率，控制循环水泵27转速，从而控制玻璃槽3内液体流速，最后调节激光功率、频率等参数，调整运动平台2使激光聚焦点位于合适的位置；

调节圆盘33、伸缩杆34、转轴35，使热像仪7位于观测加工状态的最佳位置，调节三脚架31，使两个ICCD相机6的镜头正对激光聚焦区域，调整光源39和40、凹面镜41和42、凸透镜43和44、刀口37和38，使光线能够通过ICCD相机6捕捉到；

针对加工过程中的研究对象调节ICCD相机6和热像仪7的放大倍数，利用控制箱8中的门控装置控制ICCD相机快门的拍摄时刻；

最后通过控制箱8控制激光器1出光，并控制振镜16沿设定路径进行加工，同时触发ICCD相机6和热像仪7进行观测。

针对部分易腐蚀、不可采取浸液式加工的材料，可拆除玻璃槽3，将循环水泵27替换成气瓶，增设氮气或惰性气体喷射泵，防止材料高温下氧化，采用干式激光加工时，观测平台主要用于观测等离子体外形和温度演变状态、周围气流的温度变化以及加工残渣的飞溅情况。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。