[发明专利]一种激光加工气熔比检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，涉及一种激光加工中的气熔比检测装置和方法，特别涉及激光与材料相互作用的研究方法及其在薄板缝阵类精密零部件激光加工与成形中的应用。

背景技术

航空航天飞行器雷达、导弹天线和轮船导航系统中的高性能铝合金缝阵天线板，轮廓尺寸达100-600mm，厚度仅为0.3-0.4mm，其上需要加工许多不同方位矩形窄缝，形成缝阵，缝隙宽度为0.1-0.3mm，缝隙的形状精度和尺寸精度要求达0.1-1μm级，加工表面质量要求Ra＜1.6μm，微观无毛刺和飞边。再如，应用于石油、化工等行业的流体净化和提纯的不锈钢高密孔隙过滤板，轮廓尺寸达80-200mm，板厚为0.5-2mm，其上需要加工大量、微小、高密分布的孔隙，孔隙形状为圆形、矩形甚至是异形，孔隙尺寸为0.1-0.3mm，受加工深径比大小的限制，板厚设计受到限制；还有，应用于纺织、轻工、印刷等行业喷丝、喷粉和喷墨的硬质合金喷头，轮廓尺寸为10-100mm，孔隙尺寸0.1-0.3mm，喷头壁厚0.1-0.3mm。此外，急需开发医用微流道芯片及其不锈钢微流道制作模具等高效、高质量精密加工方法。

上述薄板精密结构件特点是，微细结构的孔、缝形状各异而复杂，尺寸细小而密集，薄壁结构；属于一种轮廓尺寸与厚度之比较大的薄板；零件加工尺寸精度、形状精度和表面质量要求高；零件材料为导热率较高的特殊合金等金属材料。其加工难点在于，薄壁、薄板精密零件的加工容易受力、受热变形；微小孔、缝加工中，受工具尺寸的限制，切削性能差；传统加工工艺方法难以满足加工的高精度、高质量和高效率等要求。

在激光精密加工中，气熔比对加工精度和质量有直接影响，因此，研究和开发激光加工气熔比检测装置和方法，具有重要理论意义与应用价值。

发明内容

本发明针对航空航天飞行器雷达、导弹天线和轮船导航系统中的高性能铝合金缝阵天线板的加工技术难题，研究识别激光去除材料时气化物形态，采集气化物流动信息，根据测量光束在气化物传输中折射率与密度关系，识别气化物流动折射率变化与分布特征，定量分析不同时刻激光去除材料的气化形态，计算得到气化去除材料的重量；结合精密称重法，分别称量加工后，试件重量和熔化分离物重量，进而得到气化物与熔化分离物重量，研究激光能量输入对去除材料气熔比的影响，提供气熔比对薄板缝阵类零件激光加工尺寸，精度和表面质量影响的理论与试验依据。

本发明采用的技术方案是：

把检测光源传递至光学透镜组，经过狭缝、转向反射镜和主反射镜，照射置于透光、透气玻璃容器中的研究对象D，当激光加工时，产生加工气化物状态，此状态信号经过主反射镜、转向反射镜和彩色刀口，传至高速记录分析仪，由记录仪分析，得到不同时刻气化状态信息，辅助精密称重法得到气熔比。

检测装置由光源1、第一光学透镜组2和第二光学透镜组10、狭缝3、第一转向反射镜4和第二转向反射镜8、第一主反射镜5和第二主反射镜7、玻璃容器6、研究对象D、彩色刀口9、高速记录分析仪11组成，第一主反射镜5和第二主反射镜7对称的布置于玻璃容器6的两端，第一光学透镜组2位于光源1和狭缝3之间，第二光学透镜组10位于彩色刀口9和高速记录分析仪11之间，

第一转向反射镜4位于狭缝3之后，能够将通过狭缝3的光源传递到第一主反射镜5，第二转向反射镜8位于第二主反射镜7和彩色刀口9之间，能够将第二主反射镜7反射来的光源传递给彩色刀口9；其中，光源1为氪灯，第一光学透镜组2把氪灯光传递至狭缝3；通过狭缝3的光源通过第一转向反射镜4传递到第一主反射镜5；第一主反射镜5把光源1检测光照射到玻璃容器6中的研究对象D；接着记录光源1照射到研究对象D产生的光学现象，第二主反射镜7把气化物检测信号，经过第二转向反射镜8和彩色刀口9，传至高速记录分析仪11，经分析不同时刻产生的气化物状态，计算得出加工区气化物重量。

上述的激光加工气熔比检测装置，其检测方法是：

首先，激光加工时，产生气化物，基于气化物光学纹影测量原理，检测参考光穿过流动气化物时折射率变化，识别气化物形态与密度变化，根据格拉斯德通-戴尔气态方程计算出不同时刻材料气化物密度分布，进而计算出不同时刻气化物重量；