专利名称：一种激光加工气熔比检测装置和方法
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。
技术背景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O. 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O. 1-0. 3mm，缝隙的形状精度和尺寸精度要求达O. 1-1 y m级，加工表面质量要求Ra <1.6ym，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O. 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O. 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O. 1-0. 3mm，喷头壁厚O. 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l、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ll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ll，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；其次，采用分辨率较高称重法，精确称得整个激光加工前后试件重量，然后，仔细收集 玻璃容器6中熔化分离物，精确称得熔化分离物重量，分别得到气化物与熔化分离物重量及 其气熔比；其中，对于均质材料不计直接从基体上剥离掉颗粒的重量，采用上述方法，测出 气化与熔化重量之比；对于不均匀材质，收集从基体上剥离掉的颗粒，消除以剥离形态去除 颗粒的影响，同样采用精密称重法，可得到剥离掉颗粒的重量以及去除材料的总重量，从而 修正得到精确的气化与熔化重量之比；对于熔化重铸层，采用金相分析法，对样件进行基于4图像处理的重铸层体积检测，消除熔化重铸层对去除材料重量的影响，得到精确的气熔比。
本发明的有益效果采用气熔比检测装置和方法，有效掌握激光与材料相互作用状态与 条件，通过加工区气化与熔化比例的分析与调控，满足激光加工产物的高质量排除要求，即 提高激光精密成形、精密制造精度和质量，是突破原加工设备的尺寸与质量指标，加工出更 小尺寸微小结构的有效方法。制作出用于多种材料型腔和结构零件，加工出大量微小孔缝尺
寸为O. 05-0. 2mm，其深径比达到20: l的精密结构零件，解决雷达天线板纺织、石油、化工 领域中的过滤结构件的技术难题，满足微结构零部件的图纸技术要求，解决微细塑料模具沟 槽型腔的加工难题，包括尺寸、形状、位置精度与质量要求，提高激光加工精度、质量l个 数量级。
附图是本发明的激光加工气熔比检测装置结构示意图。
图中l光源；2第一光学透镜组；3狭缝；4第一转向反射镜；5第一主反射镜；6玻璃容 器；7第二主反射镜；D研究对象；8第二转向反射镜；9彩色刀口 ； IO第二光学透镜组；ll高 速记录分析仪。
具体实施例方式
结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式
。 实施例
把气熔比检测装置置于如附图所示的激光加工机上，当激光加工时，激光束自玻璃容器
6的上窗口照射到容器内的研究对象D，同时，检测光通过玻璃容器6的右窗口，照射激光加 工气化物，该气化物状态信息由玻璃容器6的左窗口传出，经主第二反射镜7、第二转向反射 镜8和彩色刀口9，最终被高速记录分析仪ll采集、记录和分析；玻璃容器6为一透明、透气 容器，允许气化物随时逸出，高速记录分析仪ll采集、记录和分析各个时刻的气化物状态， 累计整个加工过程，其详细实施方式如下
激光加工以50克缝阵天线板时，测量光照射加工气化物，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的材料气化物密度分布，进而计算出可个时刻气化物重量约5 克；同时，采用精密称重法，精确称得整个激光加工前后试件重量，然后，仔细收集玻璃容 器6中熔化分离物，精确称得熔化分离物重量，分别得到气化物与熔化分离物重量及其气熔比，例如，称重法称得整个激光加工前后试件重量之差，即气化物重量5克，另一方面，仔 细收集玻璃容器6内熔化分离物，称得熔化分离物总重量5克，得出激光加工去除总重量10克 ，算出气化与熔化重量之比为l;通过改变激光能量输入，可控制气化比大小，例如，加工 总去除量10克中，8克为气化物、2克为熔化物，则气熔比为4，显然，气熔比为4的激光加工 质量，明显高于气熔比为l的加工质量达l个数量级。其中，对于均质材料不计直接从基体上 剥离掉颗粒的重量，采用上述方法，测出气化与熔化重量之比；对于不均匀材质，收集从基 体上剥离掉的颗粒，消除以剥离形态去除颗粒的影响，同样采用精密称重法，可得到剥离掉 颗粒的重量以及去除材料的总重量，从而修正得到精确的气化与熔化重量之比；对于熔化重 铸层，采用金相分析法，对样件进行基于图像处理的重铸层体积检测，消除熔化重铸层对去 除材料重量的影响，得到精确的气熔比；该方法可以用于激光精密切割、铣削、熔覆等多种 加工过程的气熔比检测。
权利要求
1.一种激光加工气熔比检测装置，其特征是检测装置由光源[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。
2.权利要求l所述装置的检测方法，其特征是首先激光加工时，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；其次，采用分辨率较高称重法，精确称得整个激光加 工前后试件重量，然后，仔细收集玻璃容器[6]中熔化分离物，精确称得熔化分离物重量， 分别得到气化物与熔化分离物重量及其气熔比；其中，对于均质材料不计直接从基体上剥离 掉颗粒的重量，采用上述方法，测出气化与熔化重量之比；对于不均匀材质，收集从基体上 剥离掉的颗粒，消除以剥离形态去除颗粒的影响，同样采用精密称重法，可得到剥离掉颗粒 的重量以及去除材料的总重量，从而修正得到精确的气化与熔化重量之比；对于熔化重铸层 ，采用金相分析法，对样件进行基于图像处理的重铸层体积检测，消除熔化重铸层对去除材 料重量的影响，得到精确的气熔比。
全文摘要
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。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。本发明提高激光精密成形、精密制造精度和质量，解决微细塑料模具沟槽型腔的加工难题，提高激光加工精度、质量1个数量级。
文档编号G01N5/00GK101672754SQ20091030829
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者徐文骥, 梁延德, 王续跃, 王连吉 申请人:大连理工大学