[发明专利]一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置

说明书

本发明提供了一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，包括激光加工中心、超声辅助单元、电磁辅助单元和工件装夹单元，其中电磁辅助单元包括驱动机构、支架、电场发生装置、两个电极板、两个电磁铁和电磁调节装置，支架为回转体，驱动机构用于驱动所述支架绕自身轴线自转，两个电极板和两个电磁铁以支架的轴线为中心沿周向均匀分布于支架的内表面，且电极板与电磁铁间隔设置，本发明不仅可以减弱等离子体的屏蔽、散射及折射效应，提高激光束的热输入效率，而且能在熔融金属中产生电磁搅拌，修复孔壁微裂纹，同时可以细化晶粒和组织，改善力学性能，有效消减残余应力，从而提高打孔效率，增大打孔深度，改善打孔质量。

技术领域

本发明涉及激光制造与加工领域，尤其涉及一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置。

背景技术

激光打孔是激光加工领域的主要研发及应用方向之一。与传统制孔技术相比，激光冲击打孔具有加工材料范围广、制孔速度快、非接触式无污染加工以及经济效益高等优点。因此，脉冲激光被广泛应用于航空发动机热端部件的群孔精密加工。

然而，在激光冲击打孔的过程中，激光功率密度越高，材料加热熔化和汽化越剧烈，所产生的蒸汽和光致等离子体也就越稠密。光致等离子体密度越大，对入射激光辐射能量的屏蔽、散射及折射作用就越明显，从而影响激光热源的热输入分布及效率，导致激光冲击打孔的效率降低，而且，等离子体的运动也会影响到激光打孔的质量和激光打孔过程的稳定性。此外，激光冲击打孔通常为热作用过程，激光加工表面残留物的凝固不仅改变了冶金状态，而且还会导致形成重铸层、微裂纹、飞溅以及残余应力等问题。

为了解决这些问题，同时提高打孔效率并改善打孔质量，可以把超声振动、磁场等辅助能场耦合进激光打孔的过程中。然而，目前尚未查阅到国内外关于水基超声振动、电场和磁场同时耦合辅助激光加工的研究及应用报道。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，利用声场加速熔渣的去除，提高熔渣的去除率，利用外加电场和磁场影响激光冲击打孔过程中的等离子体的运动、形态、密度及分布，以改善激光加工微孔的打孔质量，增大打孔深度，提高打孔效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于旋转电磁场和水基超声振动的激光冲击打孔装置，包括激光加工中心、超声辅助单元、电磁辅助单元和工件装夹单元；

所述超声辅助单元包括圆形无盖箱体和超声振动平台，所述圆形无盖箱体安装在所述激光加工中心上，所述超声振动平台位于所述圆形无盖箱体内，所述无盖箱体内容纳有用于传播超声波的液体介质，试样通过所述工件装夹单元安装于所述圆形无盖箱体内，并位于所述超声振动平台的上方，所述激光加工中心发出的激光聚焦于试样的待加工表面；

所述电磁辅助单元包括驱动机构、支架、电场发生装置、两个电极板、两个电磁铁和电磁调节装置，所述支架为回转体，下端为圆柱，上端为平面圆环，所述支架的下端可转动地安装于所述圆形无盖箱体上，所述驱动机构用于驱动所述支架绕自身轴线自转；两个所述电极板和两个所述电磁铁以所述支架的轴线为中心沿周向均匀分布于所述支架的内表面，且所述电极板与所述电磁铁间隔设置，所述电场发生装置与所述电极板连接，使两个所述电极板产生电场，所述电磁调节装置与所述电磁铁连接，使两个所述电磁铁产生磁场，试样位于电场和磁场作用范围内。

优选地，所述超声辅助单元还包括用于测量液体介质液位的液位传感器和控制系统，所述液位传感器与所述控制系统连接。

优选地，所述超声辅助单元还包括加热管和用于测量液体温度的温度传感器，所述温度传感器和所述加热管均与所述控制系统连接，所述控制系统根据所述温度传感器传递的信号控制所述加热管的工作。