本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，特指一種在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)及方法。

技術(shù)背景

激光加工技術(shù)是利用聚焦后的高能激光束與材料之間相互作用的特性，對金屬材料以及非金屬材料進(jìn)行焊接、熱處理、表面處理等的一門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)具有加工效率高、自動化程度高、環(huán)境污染小等優(yōu)點而成為備受矚目的綠色加工技術(shù)。雖然激光加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到加工工程技術(shù)領(lǐng)域，但是激光加工技術(shù)會降低工件表面完整性，從而嚴(yán)重的降低了工件的后續(xù)使用壽命。所謂表面完整性主要包括工件加工后的表面紋理和表面質(zhì)量。表面紋理主要采用粗糙度、波紋度、宏觀裂紋等指標(biāo)進(jìn)行表征，表面質(zhì)量主要采用殘余應(yīng)力、微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微裂紋等指標(biāo)進(jìn)行評價。因此如何改善工件激光加工表面完整性已經(jīng)成為激光加工技術(shù)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題之一。

目前采用的改善工件激光加工表面完整性的方法主要包括表面磨削工藝、低應(yīng)力磨削工藝、熱時效工藝以及振動時效工藝(又稱為振動消除殘余應(yīng)力工藝)來改善工件激光加工表面粗糙度和降低工件激光加工表面殘余應(yīng)力，從而改善工件激光加工表面完整性。綜上所述我們不難發(fā)現(xiàn)，這些改善工件激光加工表面完整性的方法都是針對已經(jīng)進(jìn)行過激光加工后的工件進(jìn)行處理的，然而激光焊接技術(shù)(激光加工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一)涉及到了材料的熔化和凝固過程。對于以凝固過程作為最終加工環(huán)節(jié)的工件，凝固過程的影響尤為重要。對于凝固后還要經(jīng)過進(jìn)一步加工的工件，凝固的影響也很明顯，因為凝固過程中形成的缺陷是很難在進(jìn)一步加工中消除的。因此在激光加工的過程中就改善工件表面完整性具有特別重要的意義。針對現(xiàn)有改善工件激光加工表面完整性的方法存在的不足，本發(fā)明提出一種在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有改善工件激光加工表面完整性的方法無法在線改善工件激光加工表面完整性的不足，本發(fā)明提出一種在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)及方法。

在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)，其特征在于是由激光加工系統(tǒng)和超聲振動系統(tǒng)組成，包括激光器控制單元、激光源、工作平臺、運動控制單元、超聲波發(fā)生器、超聲波換能器和超聲變幅桿；工件安裝在工作平臺上。

在線改善工件激光加工表面完整性的方法，其特征在于對工件進(jìn)行激光加工的同時對工件進(jìn)行超聲振動，通過在激光加工的同時耦合超聲振動，在線改善工件激光加工表面完整性。

進(jìn)一步，激光器控制單元控制激光器輸出激光束；運動控制單元控制工作平臺的運動速度；超聲波發(fā)生器將220V交流電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動超聲波換能器工作；超聲波換能器將輸入的高頻交流電信號轉(zhuǎn)換成超聲振動信號后傳遞出去；超聲變幅桿放大超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動信號，并將超聲振動能量匯聚到較小的面積上。

進(jìn)一步，超聲波換能器由背襯、壓電層和匹配層組成。

具體而言，工件安裝在工作平臺上，對工件進(jìn)行激光加工的同時進(jìn)行超聲振動。激光器控制單元控制激光器輸出激光束；運動控制單元控制工作平臺的運動速度；超聲波發(fā)生器將220V交流電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動超聲波換能器工作；超聲波換能器將輸入的高頻交流電信號轉(zhuǎn)換成超聲振動信號后傳遞出去；超聲變幅桿放大超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動信號，并將超聲振動能量匯聚到較小的面積上。對工件進(jìn)行激光加工的同時進(jìn)行超聲振動，能夠在線改善工件激光加工表面完整性。

采用小孔法測試裝置分別對經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件進(jìn)行殘余應(yīng)力測試；采用超景深三維顯微系統(tǒng)分別對經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件進(jìn)行表面三維形貌的分析。對比經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件的殘余應(yīng)力和表面三維形貌的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)能夠降低工件表面殘余應(yīng)力和改善工件表面粗糙度，即在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)能夠在線改善工件激光加工后的表面完整性。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：由激光器控制單元、激光源、工作平臺、運動控制單元、超聲波發(fā)生器、超聲波換能器以及超聲變幅桿構(gòu)成在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)；將工件安裝在工作平臺上，對工件進(jìn)行激光加工的同時對工件進(jìn)行超聲振動，改善工件激光加工后的表面完整性，最終實現(xiàn)在線改善工件激光加工表面完整性的目的。

本發(fā)明的有益效果是:

1、本發(fā)明提出的在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)，能夠?qū)ぜM(jìn)行激光加工的同時進(jìn)行超聲振動，從而在線改善工件激光加工表面完整性。

2、本發(fā)明提出的在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)，是在激光加工的同時對工件進(jìn)行超聲振動處理，在線改善工件激光加工表面完整性，相比于工件只經(jīng)過激光加工處理后在采取后續(xù)工序來改善工件激光加工表面完整性來說，在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)的提出和應(yīng)用，能夠降低勞動強度、提高激光加工效率、在線改善工件激光加工表面完整性。

附圖說明

圖1在線改善工件激光加工表面完整性的原理示意圖

圖2激光加工系統(tǒng)示意圖

圖3超聲振動系統(tǒng)示意圖

圖4 AISI 1045鋼試樣尺寸示意圖

圖5a x軸向殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖5b y軸向殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖6工件激光加工后表面三維形貌的形成原理示意圖

具體實施方式

參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明：

在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)，其特征在于是由激光加工系統(tǒng)和超聲振動系統(tǒng)組成，包括激光器控制單元、激光源、工作平臺、運動控制單元、超聲波發(fā)生器、超聲波換能器和超聲變幅桿；工件安裝在工作平臺上。

在線改善工件激光加工表面完整性的方法，其特征在于對工件進(jìn)行激光加工的同時對工件進(jìn)行超聲振動，通過在激光加工的同時耦合超聲振動，在線改善工件激光加工表面完整性。

進(jìn)一步，激光器控制單元控制激光器輸出激光束；運動控制單元控制工作平臺的運動速度；超聲波發(fā)生器將220V交流電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動超聲波換能器工作；超聲波換能器將輸入的高頻交流電信號轉(zhuǎn)換成超聲振動信號后傳遞出去；超聲變幅桿放大超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動信號，并將超聲振動能量匯聚到較小的面積上。

進(jìn)一步，超聲波換能器由背襯、壓電層和匹配層組成。

具體而言，工件安裝在工作平臺上，對工件進(jìn)行激光加工的同時進(jìn)行超聲振動。激光器控制單元控制激光器輸出激光束；運動控制單元控制工作平臺的運動速度；超聲波發(fā)生器將220V交流電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動超聲波換能器工作；超聲波換能器將輸入的高頻交流電信號轉(zhuǎn)換成超聲振動信號后傳遞出去；超聲變幅桿放大超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動信號，并將超聲振動能量匯聚到較小的面積上。對工件進(jìn)行激光加工的同時進(jìn)行超聲振動，能夠在線改善工件激光加工表面完整性。

采用小孔法測試裝置分別對經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件進(jìn)行殘余應(yīng)力測試；采用超景深三維顯微系統(tǒng)分別對經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件進(jìn)行表面三維形貌的分析。對比經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件的殘余應(yīng)力和表面三維形貌的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)能夠降低工件表面殘余應(yīng)力和改善工件表面粗糙度，即在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)能夠在線改善工件激光加工后的表面完整性。

圖1所示的在線改善工件激光加工表面完整性的原理示意圖表明，對工件進(jìn)行激光加工的同時對工件進(jìn)行超聲振動，要實現(xiàn)對工件進(jìn)行激光加工的同時對工件進(jìn)行超聲振動，則在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)包括圖2和圖3所示的激光加工系統(tǒng)和超聲振動系統(tǒng)，即在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)是由激光加工系統(tǒng)和超聲振動系統(tǒng)組成。采用圖2和圖3所示的激光加工系統(tǒng)和超聲振動系統(tǒng)組成的在線改善工件激光加工表面完整性的系統(tǒng)對圖4所示的AISI 1045鋼試樣進(jìn)行激光加工的同時對AISI 1045鋼試樣進(jìn)行超聲振動，在線改善AISI 1045鋼試樣激光加工表面完整性。采用小孔法測試裝置分別對經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的AISI 1045鋼試樣和直接激光加工后的AISI 1045鋼試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，其測試結(jié)果如圖5a和5b所示，通過圖5a和圖5b殘余應(yīng)力測試結(jié)果可知，采用在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)對AISI 1045鋼試樣進(jìn)行處理，能夠降低AISI 1045鋼試樣的表面殘余應(yīng)力。圖6為工件激光加工后表面三維形貌的形成原理示意圖，從圖6可以發(fā)現(xiàn)工件激光加工過程主要包括：①加熱過程；②熔化過程；③蒸發(fā)過程；④形成凹坑。當(dāng)對AISI 1045鋼試樣直接進(jìn)行激光加工的時候，AISI 1045鋼試樣會因為脈沖激光束形成的高溫而熔化，從而在激光加工的表面區(qū)域形成熔池，熔池里的金屬液體會產(chǎn)生一定量的蒸發(fā)，從而在AISI 1045鋼試樣表面形成凹坑，同時因為金屬液體的蒸發(fā)作用，熔池里面的金屬液體會飛濺出熔池，在AISI 1045鋼試樣凹坑周圍形成氧化物。當(dāng)對AISI 1045鋼試樣進(jìn)行激光加工的同時進(jìn)行超聲振動，在熔化過程和蒸發(fā)過程中超聲振動產(chǎn)生的攪拌效應(yīng)會攪拌熔池，能夠減小飛濺出熔池的金屬液滴的體積，從而能夠減小在凹坑周圍形成的氧化物的體積。采用超景深三維顯微系統(tǒng)分別對經(jīng)過在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)處理后的工件和直接激光加工后的工件進(jìn)行表面三維形貌的分析，結(jié)果表明在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)能夠降低AISI 1045鋼試樣的表面粗糙度。綜上所述，采用在線改善工件激光加工表面完整性系統(tǒng)對工件進(jìn)行激光加工能夠改善工件的表面完整性。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。