一种激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削装置及方法

1.本发明涉及一种激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削装置及方法，属于激光电解铣削加工领域。


背景技术：

2.传统的激光铣削加工存在微裂纹、重铸层、加工效率低等问题。传统的电解铣削加工存在加工精度低、加工环境不友好、受限于导电材料、加工过程易出现钝化等问题。因此，上述单一能场的铣削加工很难实现高效铣削。为了提高铣削加工的效率，发明专利cn1919514提出了以激光为主电解为辅的喷射液束电解—激光复合加工方法。该方法采用激光束和电解液束同轴的形式，激光束在喷射液束的引导下去除材料。虽然该方法可以通过电解加工改善激光加工引起的重铸层问题，但是由于激光束在电解液束中的传播距离较大，导致激光能量损耗严重，所以铣削效率有限。
3.cn115007958a公开了一种液导激光-电解复合加工工具电极系统及铣削方法。该方法通过激光束在同轴电解液柱中的全反射实现激光加工和电解加工的复合，并通过辅助阳极实现电解加工精度的控制，但是激光束经过电解液柱的多次反射能量损耗严重，且辅助阳极会降低电解加工中的电场强度不利于高效铣削。此外，为了实现在0.5mm电解液柱中进行激光束的全反射传输，激光的输出功率仅为2mw。过低的激光输出功率使得激光-电解复合高效铣削加工难以实现。
4.cn116079167a公开了一种激光与电解复合加工方法及其装置。该方法将固体光纤浸没在电解液中传输激光减小了激光束的能量损耗，但浸没式电解加工方法杂散腐蚀严重，难以实现深度铣削加工，所以铣削效率有限。此外，基于浸没式的激光与电解复合加工技术仅管激光输出功率密度可达1
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109w/cm2，但是，浸没式电解加工的加工电压的最大值仅为20v。较低的电解加工电压使得激光-电解复合高效铣削加工难以实现。
5.综上所述，现有的激光电解铣削方法仍存在着加工效率低的问题。一方面同轴激光-电解复合加工中激光在电解液柱中的传播距离较远导致激光能量损耗严重。尽管优选激光波长可以降低激光在电解液中的吸收率，但是电解液中的电解产物和电解质同样会对激光造成严重的损耗。此外，同轴液导激光-电解复合加工中激光输出功率受到电解液柱直径的影响激光器难以采用大功率输出。另一方面，基于浸没式的激光-电解复合加工方法为了避免较大的杂散腐蚀和极间放电，通常采用较低的加工电压。因此，现有激光-电解复合加工方法很难实现复合高效铣削加工。在现有研究和技术基础上，本发明提出一种激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削装置及方法，在不限制最大激光器输出功率和加工电压的情况下，通过高功率输出的激光器烧蚀工件表面产生高温导电等离子体，在激光烧蚀、等离子体冲击和电化学刻蚀的共同作用下实现材料的高效去除。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的局限性，本发明提供一种激光诱导等离子体-射流电解复合
高效铣削装置及方法，目的在于提高激光-电解铣削的材料去除效率。采用激光诱导等离子体-射流电解加工方式可以通过等离子体构建阴极喷嘴和阳极工件之间的等离子通道。采用等离子体优异的导电性减小喷嘴与工件之间的电解液阻抗以实现高效铣削加工。此外，激光诱导的等离子体会膨胀并产生冲击波在铣削表面产生高压以实现高效材料去除。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种激光诱导等离子射流电解复合高效铣削装置，所述的装置包括三维移动平台1，激光束2，聚焦镜3，激光器4，激光器电源5，射流支架底板6，射流固定板7，电解液管路8，流量计9，齿轮泵10，储液槽12，阴极喷嘴14，电解液膜15，阳极工件16，钝化膜17，等离子体18，阳极夹具19，电解槽20。
9.所述的电解槽20固定在三位移动平台1的x轴移动平台101上，且电解槽20的侧壁底部连接电解液管路ⅰ801；所述的阳极工件16固定在阳极夹具19上并放置在电解槽20的内部，阳极夹具19可随电解槽20移动。所述的激光器4连接激光器电源5并发射激光束经由其下方的聚焦镜3照射到阳极工件16的表面，激光器4固定在三维移动平台1上的z轴移动平台103上，所述的z轴移动平台103固定在y轴移动平台102上，所述的y轴移动平台102固定在三维移动平台1的立柱上。
10.所述的射流固定板7垂直布置于固定在射流支架底板6上，射流支架底板6水平放置在x轴移动平台101上，所述的射流固定板7上设有两个垂向的射流固定槽ⅰ701和射流固定槽ⅱ702；所述的电解液管路ⅲ803前端位于阳极工件16上方，且用于喷出射流液柱，电解液管路ⅲ803通过固定管托ⅰ1301和固定管托ⅱ1302分别固定在射流固定槽ⅰ701和射流固定槽ⅱ702上，电解液管路ⅲ803可以在射流固定槽上垂向移动，进而实现射流液柱和激光束2之间的间隙控制。所述的电解液管路ⅲ803的前端连接阴极喷嘴14。
11.所述的电解槽20中的电解液通过电解液管路ⅰ801流入储液槽12中，通过电解液管路ⅱ802连接过滤器11和齿轮泵10上并泵送电解液流经电解液管路ⅲ803，由阴极喷嘴14喷出。所述的阴极喷嘴14、阳极工件16分别用于连接电解电源21的阴极、阳极。所述电解液管路ⅱ802上还设有流量计9，用于测定电解液管路8内的电解液流量。所述的阴极喷嘴14喷射出电解液后在阳极工件16表面形成电解液膜15，并进行电化学刻蚀产生钝化膜17。所述的激光束2穿透电解液膜15照射到阳极工件16表面。在高能量脉冲激光的持续照射下阳极工件16表面发生气化并电离产生等离子体18。等离子体18会迅速膨胀形成高温高压对表面进行冲击去除阳极工件16表面的钝化膜17。在高导电性的等离子体18作用下，阴极喷嘴14和阳极工件16之间电解液阻抗减小。在激光诱导的等离子体作用下实现激光和电解复合加工的耦合增效作用，提高铣削效率。
12.进一步的，所述的激光束2与阴极喷嘴14之间的水平距离x为0.05mm《x《1mm。所述的阳极工件16与阴极喷嘴14之间的垂直距离y为0.2mm《y《1mm。
13.进一步的，所述激光束2的光斑直径φ为10μm《φ《60μm。所述激光器4的输出功率大于50w。
14.进一步的，所述的电解液膜15厚度由阴极喷嘴14喷出的电解液流速控制。所述的电解液膜15的厚度小于0.2mm。
15.一种激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削方法，该方法中激光束透过射流电解产生的电解液膜烧蚀阳极金属表面并产生等离子体。等离子体会迅速膨胀形成冲击波冲
蚀阳极表面的钝化膜以提高加工的材料去除速率。此外，具有良好导电性的等离子体会减小阴极喷嘴和阳极工件之间阻抗，提高加工电流进而实现激光电解复合高效铣削。以下步骤实现：
16.1)采用阳极夹具19固定阳极工件16并保持与激光器4垂直。通过调节z轴移动平台103使激光光束2的光斑位于阳极工件16表面。采用射流固定板7固定前端设有阴极喷嘴14的电解液管路803，并保持激光束2与阴极喷嘴14之间的水平距离x为0.05mm《x《1mm。阳极工件16与阴极喷嘴14之间的垂直距离y为0.2mm《y《1mm。
17.2)采用计算机设定激光加工参数，其中包括：激光功率、光斑位置和电解加工时间。通过x轴移动平台101实现铣削运动。电解电源21提供阴阳极间的电解加工电压，并设置电解加工参数，其中包括：电解电压、占空比、脉冲频率和激光加工时间。
18.3)加工前启动齿轮泵10，待阴极喷嘴14处形成稳定射流后，调节电解液流速控制电解液膜15的厚度小于0.2mm。开启电解电源21和激光器电源5并启动三维移动平台1的铣削加工程序，实现激光诱导等离子体射流电解加工。此时，阳极工件16在激光烧蚀、等离子体冲击和电化学刻蚀的共同作用下实现材料去除。
19.在加工过程中，阳极工件16在激光烧蚀的作用下发生材料相变，加工区域的阳极工件16被气化并产生等离子体18。等离子体18会迅速膨胀并产生冲击波，实现钝化膜的快速去除。防止钝化膜17进一步积累，从而使加工过程持续进行，实现高效铣削。
20.5)当完成铣削运动轨迹后，关闭电解电源21、激光器电源6和齿轮泵10，卸下阳极工件16，完成加工。
21.本发明的有益效果是：
22.1)本发明通过激光束透过电解液膜加工金属表面减小了激光在电解液中的能量损耗，有利于高能量激光束诱导等离子体的产生。
23.2)激光诱导产生的等离子体会迅速膨胀并形成冲击波，可以实现阳极工件表面钝化膜的快速排离，避免钝化膜堆积导致的阳极钝化。
24.3)具有高导电性的等离子体可以降低阴极喷嘴和阳极工件之间的阻抗，以提高加工中的电解电流，实现材料的快速去除。
附图说明
25.图1为激光诱导等离子体射流电解复合加工装置图；
26.图2为激光诱导等离子体射流电解的局部放大图；
27.图3为激光诱导等离子体射流电解复合铣削中的等离子体照片；
28.图4为激光诱导等离子体射流电解复合铣削后的沟槽实物图；
29.图5为射流电解加工和激光诱导等离子体射流电解加工后的沟槽截面对比图；
30.图中：1三维移动平台，2激光束，3聚焦镜，4激光器，5激光器电源，6射流支架底板，7射流固定板，9流量计，10齿轮泵，11过滤器，12储液槽，14阴极喷嘴，15电解液膜，16阳极工件，17钝化膜，18等离子体，19阳极夹具，20电解槽；21电解电源；
31.101x轴移动平台，102y轴移动平台，103z轴移动平台，701射流固定槽ⅰ，702射流固定槽ⅱ，801电解液管路ⅰ，802电解液管路ⅱ，803电解液管路ⅲ，1301固定管托ⅰ，1302固定管托ⅱ。
具体实施方式
32.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
33.图1为激光诱导等离子体-射流电解复合加工装置图，所述的电解槽20放置在x轴移动平台101上并控制运动。电解槽20的侧壁底部开孔通过电解液管路ⅰ导入储液槽12中，通过电解液管路ⅱ802连接到过滤器11上，实现加工过程中电解液的过滤。电解液通过齿轮泵10和电解液管路ⅲ803运送到阴极喷嘴14并以一定的流速喷射到阳极工件16表面。所述的阳极工件16通过阳极夹具19固定在电解槽20中并随着电解槽20而移动。在所述的阳极工件16上方依次垂直放置聚焦镜3和激光器4。所述的聚焦镜3和激光器4均固定在z轴移动平台103上。所述的激光器4由激光器电源5供电。所述的电解液管路ⅲ803通过固定管托ⅰ1301和固定管托ⅱ1302分别固定在射流固定槽ⅰ701和射流固定槽ⅱ702上实现射流液柱和激光束2之间的间隙控制。
34.图2为激光诱导等离子体射流电解的局部放大图，经过聚焦镜3后的激光束2透过电解液膜15照射到阳极工件16表面使材料气化并产生等离子体18。等离子体18迅速膨胀产生冲击波去除阳极工件表面的钝化膜17，促进电解加工的持续进行。
35.图3为激光诱导等离子体-射流电解复合铣削中的等离子体照片，加工过程中等离子体18吸收激光束2的脉冲能量，等离子体18的数目不断增多，并膨胀产生的冲击波有利于去除电解加工后产生的钝化膜17。此外，具有良好导电性的等离子体可以减小阴极喷嘴和阳极工件之间的阻抗，提高射流电解加工效率，实现高效铣削加工。激光诱导等离子体射流电解复合铣削后的沟槽如图4所示。
36.为了有效表征激光诱导等离子体对于射流电解铣削的促进作用，分别进行射流电解铣削和激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削，铣削后沟槽的截面轮廓如图5所示。射流电解铣削的平均沟槽宽度为947.16μm，平均沟槽深度为181.03μm。激光诱导等离子体射流电解复合铣削后的平均沟槽宽度为985.23μm，平均沟槽深度为406.21μm。
37.以304不锈钢为例，图4为激光诱导等离子体射流电解铣削后的微沟槽实物图。实验前，将5cm
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5cm
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1.5mm的不锈钢片进行抛光处理，抛光后的不锈钢片进行丙酮和乙醇超声脱脂处理表面，然后进行去离子水清洗并在130℃的热板上烘干30min。阴极喷嘴为304不锈钢，内径为0.6mm。电解液为10％nacl和1％nano3混合溶液，电解液流速为10.3m/s，射流电解加工采用恒压加工模式，电解电压为120v，脉冲频率为1khz，脉冲占空比为50％。激光器波长为1064nm，激光功率为100w，脉冲频率为20khz，加工时间为70s。采用激光诱导等离子体射流电解高效铣削方法得到的微沟槽平均宽度为1.35mm，铣削深度为0.42mm，材料去除率为1.2mm3/min。
38.基于上述装置实现的激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削方法，包括具体步骤如下：
39.1)将5cm
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5cm
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1.5mm的不锈钢片依次进行粗磨，精磨和抛光处理，并采用丙酮和乙醇进行超声脱脂处理各15min。将超声处理后的不锈钢片用去离子水清洗，并采用130℃的热板烘干30min。配置10％nacl和1％nano3混合溶液作为电解液并倒入电解液槽中。设置激光加工参数，其中包括：激光功率为100w，脉冲频率为20khz。设置电解加工参数，其中包括：电解加工模式为恒压加工，电解电压为120v，脉冲频率为1khz，脉冲占空比为50％。设置铣削加工程序，其中包括：铣削速度为1mm/s，铣削长度为10mm。
40.2)采用阳极夹具固定阳极工件，并将阳极工件放置在聚焦镜正下方。调节聚焦镜与阳极工件之间的距离达到聚焦镜的焦距。接通激光器电源并维持5s实现在阳极工件表面预置孔的加工。阴极喷嘴与预置孔的水平距离x为0.05mm《x《1mm。阴极喷嘴与预置孔的垂直距离y为0.2mm《y《1mm。采用射流固定板固定连接有阴极喷嘴的电解液管路实现阴极喷嘴的固定。射流固定板7和阳极工件16可以同时随x轴移动平台实现左右铣削运动保证激光和射流电解的相对位置固定。
41.3)开启齿轮泵10使电解液槽20中的电解液依次流经电解液管路ⅰ801、储液槽12、电解液管路ⅱ802、过滤器11、齿轮泵10、电解液管路ⅲ803、阴极喷嘴14，并从阴极喷嘴14中喷射出，待形成稳定液膜后量取液膜厚度，调节射流速度确保电解液膜厚度小于0.2mm。开启电解电源21和激光器电源5并启动三位移动平台1的铣削加工程序，电解液槽20中的阳极夹具19和阳极工件16随着x轴移动平台101进行铣削加工，阳极工件16在激光烧蚀，电解刻蚀，射流冲击和等离子体冲蚀下实现铣削加工。
42.在加工过程中阳极工件16被氧化产生金属离子18并在加工表面形成钝化膜，激光透过电解液膜照射到阳极工件16表面产生等离子体18，等离子体迅速膨胀并产生冲击波快速去除阳极表面钝化膜，防止钝化膜的进一步积累，从而使电解加工过程持续进行。此外，阳极加工区域产生的等离子体具有良好的导电性，其存在可以降低阴极喷嘴和阳极工件之间的阻抗，提高电解加工电流，实现高效铣削。
43.5)激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削加工完成后，关闭电解电源和激光器电源，同时停止电解液循环系统，卸下阳极工件并清洗烘干，完成加工。
44.采用此方法能够显著提高激光-电解铣削效率。在电解加工电压为120v，铣削速度为1mm/s，电解液为10％nacl和1％nano3混合溶液，激光功率为100w，阴极喷嘴和阳极工件的距离为0.2mm，加工时间为70s的条件下，进行激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削微沟槽实验。激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削微沟槽的材料去除效率为2.32mm3/min。相比于《international journal of machine tools and manufacture》2020年第155卷文献号103569开展的同轴激光电解复合加工方法(材料去除率为0.6mm3/min)材料去除率提高了3.87倍。相比于《precision engineering-journal of the international societies for precision engineering and nanotechnology》2006年第30卷288～298页开展的同轴激光电解复合加工方法(材料去除率为0.2mm3/min)材料去除率提高了11.6倍。可见，采用本发明方法能够实现激光-电解的高效铣削。
45.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削装置，其特征在于，所述的装置包括三维移动平台(1)、激光束(2)、聚焦镜(3)、激光器(4)、激光器电源(5)、射流支架底板(6)、射流固定板(7)、电解液管路、储液槽(12)、阴极喷嘴(14)、阳极工件(16)、阳极夹具(19)、电解槽(20)，其中，电解液管路包括电解液管路ⅰ(801)、电解液管路ⅱ(802)、电解液管路ⅲ(803)，三维移动平台(1)包括x轴移动平台(101)、y轴移动平台(102)、z轴移动平台(103)；所述的电解槽(20)固定在三位移动平台(1)的x轴移动平台(101)上，其侧壁底部通过电解液管路ⅰ(801)与储液槽(12)连通；所述的阳极工件(16)通过阳极夹具(19)放置在电解槽(20)内部，阳极夹具(19)可随电解槽(20)移动；所述的激光器(4)连接激光器电源(5)并发射激光束经由其下方的聚焦镜(3)照射到阳极工件(16)的表面，激光器(4)固定在三维移动平台(1)上的z轴移动平台(103)上；z轴移动平台(103)固定在y轴移动平台(102)上，y轴移动平台(102)固定在三维移动平台(1)的立柱上；所述的射流固定板(7)垂直布置于射流支架底板(6)上，射流支架底板(6)水平放置在x轴移动平台(101)上；所述的射流固定板(7)上设有两个垂向的射流固定槽ⅰ(701)和射流固定槽ⅱ(702)；所述的电解液管路ⅲ(803)前端的阴极喷嘴(14)位于阳极工件(16)上方，用于喷出射流液柱，电解液管路ⅲ(803)分别固定在射流固定槽ⅰ(701)和射流固定槽ⅱ(702)上，可以在射流固定槽上垂向移动，进而实现射流液柱和激光束(2)之间的间隙控制；所述的电解槽(20)中的电解液通过电解液管路ⅰ(801)流入储液槽(12)中，并通过电解液管路ⅱ(802)并泵送电解液流经电解液管路ⅲ(803)，由阴极喷嘴(14)喷出；所述的阴极喷嘴(14)、阳极工件(16)分别用于连接电解电源(21)的阴极、阳极。2.根据权利要求1所述的一种激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削装置，其特征在于，所述的电解液管路ⅱ(802)上安装过滤器(11)和齿轮泵(10)；还设有流量计(9)，用于测定电解液管路8内的电解液流量。3.根据权利要求1所述的一种激光诱导等离子体-射流电解复合高效铣削装置，其特征在于，所述的激光束(2)与阴极喷嘴(14)之间的水平距离x为0.05mm<x<1mm；所述的阳极工件(16)与阴极喷嘴(14)之间的垂直距离y为0.2mm<y<1mm。4.一种激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削方法，其特征在于，基于权利要求1-3任意所述的装置实现，具体为：当阴极喷嘴(14)喷射出电解液后，在阳极工件(16)表面形成电解液膜(15)，并进行电化学刻蚀产生钝化膜(17)；激光束(2)穿透电解液膜(15)照射到阳极工件(16)表面；在高能量脉冲激光的持续照射下阳极工件(16)表面发生气化并电离产生等离子体(18)；等离子体(18)迅速膨胀形成高温高压对表面进行冲击去除阳极工件(16)表面的钝化膜(17)；在高导电性的等离子体(18)作用下，阴极喷嘴(14)和阳极工件(16)之间电解液阻抗减小；在激光诱导的等离子体作用下实现激光和电解复合加工的耦合增效作用，提高铣削效率。5.根据权利要求4所述的一种激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用阳极夹具(19)固定阳极工件(16)并保持与激光器(4)垂直；通过调节z轴移动平台(103)使激光光束(2)的光斑位于阳极工件(16)表面；采用射流固定板(7)固定前端设有阴极喷嘴(14)的电解液管路(803)，并调整激光束(2)与阴极喷嘴(14)之间的水平距离、阳极工件(16)与阴极喷嘴(14)之间的垂直距离；
2)设定激光加工参数，包括：激光功率、光斑位置和电解加工时间；通过x轴移动平台(101)实现铣削运动；电解电源(21)提供阴阳极间的电解加工电压，并设置电解加工参数，包括：电解电压、占空比、脉冲频率和激光加工时间；3)加工前启动齿轮泵10，待阴极喷嘴(14)处形成稳定射流后，调节电解液流速控制电解液膜(15)；开启电解电源(21)和激光器电源(5)并启动三维移动平台(1)的铣削加工程序，实现激光诱导等离子体射流电解加工；此时，阳极工件(16)在激光烧蚀、等离子体冲击和电化学刻蚀的共同作用下实现材料去除；在加工过程中，阳极工件(16)在激光烧蚀的作用下发生材料相变，加工区域的阳极工件(16)被气化并产生等离子体(18)；等离子体(18)会迅速膨胀并产生冲击波，实现钝化膜的快速去除；防止钝化膜(17)进一步积累，从而使加工过程持续进行，实现高效铣削；5)当完成铣削运动轨迹后，关闭电解电源(21)、激光器电源和齿轮泵(10)，卸下阳极工件(16)，完成加工。6.根据权利要求5所述的一种激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削方法，其特征在于，所述激光束(2)的光斑直径φ为10μm<φ<60μm；所述激光器(4)的输出功率大于50w。7.根据权利要求5所述的一种激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削方法，其特征在于，所述的电解液膜(15)厚度小于0.2mm。

技术总结
本发明提供一种激光诱导等离子体射流电解复合高效铣削装置及方法，属于激光-电解复合加工领域。通过激光束透过电解液膜诱导等离子体并与射流电解同时对加工区域进行激光烧蚀、电解刻蚀、射流冲击和等离子体冲蚀。其中：阳极工件与阴极喷嘴之间存在电势差且垂直距离y为0.2mm<y<1mm。激光束与阴极喷嘴之间的水平距离x为0.05mm<x<1mm。激光的光斑直径φ为10μm<φ<60μm。激光器的输出功率大于50W。本发明能够实现激光诱导等离子体和射流电解加工的高效复合，通过高电导率等离子体产生的冲击波高效去除阳极工件表面的钝化膜，减小阴阳极间的阻抗，实现激光-电解复合高效铣削加工。电解复合高效铣削加工。电解复合高效铣削加工。


技术研发人员：杜立群 于明新 王丰来 李奥奇 王忠民 程浩浩
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.08.21
技术公布日：2023/10/8