一种安培力作用下的可控深度激光减材制造方法

摘要

一种安培力作用下的可控深度激光减材制造方法，包括以下步骤：(1)对待减材工件进行预处理；(2)将两个电极分别设置在待开槽区域的两端，将磁铁的两个磁极分别设置在待开槽区域的两侧；(3)在两个电极之间通入直流电流；两个磁极在待开槽区域形成磁场，控制电流方向和磁场方向，以确保电场和磁场产生的安培力的方向与待减材工件的重力方向相反；(4)开启激光器，同时从待开槽区域沿x轴方向的两侧自上而下向开槽区域倾斜喷射保护气，熔融的金属在安培力作用下脱离熔池，且在保护气的冲击作用下沿x轴方向的两侧排出，凹槽形成；(5)停止激光器、电场和磁场的作用，清理溢出的金属。

说明书

技术领域

本发明涉及一种安培力作用下的可控深度激光减材制造方法。

背景技术

激光减材制造方法是一种与激光增材制造相对应的激光制造技术，具体是利用激光的高能量密度特性，使材料发生瞬间熔化或汽化，完成材料的切割、打孔、雕刻等减材制造过程。

对于切割或打孔等传统激光减材制造工艺，均需要将材料(一般为板材)的厚度方向完全熔化或者汽化，并在辅助气体的压力作用下完成材料的去除，无法满足切槽或者加工盲孔等未完全穿透的减材制造场合。因此，目前切槽或者加工盲孔仍然采用了刀具机加工这一传统减材方式。虽然该类方式加工精度高，但其加工效率较低，且刀具有磨损需要不断更换。

而传统电磁场辅助激光制造技术，一般是利用其搅拌作用、稳定熔池作用或者改变熔池上方等离子体实现对激光制造过程的调控，常用于激光焊接、激光熔覆和激光增材制造等环节，未见外部能场辅助条件下的激光可控减材技术。

发明内容

为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种安培力作用下的可控深度激光减材制造方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种安培力作用下的可控深度激光减材制造方法，包括以下步骤：

(1)对金属材质的待减材工件的表面进行打磨、清洗、干燥处理，然后将待减材工件水平固定在工作台上；

(2)将激光器设置在待减材工件的上方，激光器发射的激光束将在待减材工件的待开槽区域扫描，以形成所需的凹槽，且定义激光束在待减材工件上的移动方向为x轴方向；将两个电极分别设置在待开槽区域的两端，且两个电极之间的连线与所述x轴方向相平行，以使电流方向与所述x轴方向相平行；将磁铁的两个磁极分别设置在待开槽区域的两侧，且两个磁极之间的连线与x轴方向相垂直，以使磁场方向与x轴方向相垂直；

(3)在两个电极之间通入直流电流，两个电极在待开槽区域形成电场，且电场的方向和大小均可调节；两个磁极在待开槽区域形成磁场，且磁场的方向和大小均可调节；并根据左手定则，控制电流方向和磁场方向，以确保电场和磁场产生的安培力的方向与待减材工件的重力方向相反；

(4)开启激光器，同时从待开槽区域沿x轴方向的两侧自上而下向开槽区域倾斜喷射保护气，激光束在待减材工件的待开槽区域上沿x轴方向按照预定轨迹进行扫描；控制激光光斑的大小和形状，以调节凹槽的宽度和形状；控制激光功率和激光扫描速度，以调节凹槽的深度；

激光束的扫描区域形成液态熔池，而凹槽的截面轮廓由液态熔池的横截面形貌决定，可通过控制激光束的能量密度分布，以调节凹槽的横截面形状；

液态熔池内熔融的金属同时受到所述安培力的作用、重力作用和保护气的冲击作用，且所述安培力的方向与熔融的金属的重力方向相反；控制电流大小和磁场大小，以确保所述金属受到的安培力的大于熔融的金属自身的重力；随后，熔融的金属在安培力作用下脱离熔池，且在保护气的冲击作用下向沿沿x轴方向的两侧排出，凹槽形成；

(5)停止激光器、电场和磁场的作用，清理排出到凹槽两侧的金属，完成减材制造过程。

进一步，所述电流的大小为1000A～2000A。

进一步，所述磁场的磁场强度为1.5T～2.5T。

进一步，激光功率为1kW～6kW、激光束的光斑大小为1mm～20mm，激光束的扫描速度为2mm/s～400mm/s。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)本发明所述方法为非接触式加工，无需使用刀具，即无刀具磨损问题；

(2)由于激光可将材料表面瞬间熔化并形成熔池，使得本发明的减材效率极高；

(3)形成凹槽的形状和深度可根据熔池形状和深度进行灵活调整，满足多种需要。

附图说明

图1是实施例1中的凹槽表面形貌；

图2是实施例1中的凹槽截面形貌；

图3是实施例2中的凹槽表面形貌；

图4是实施例2中的凹槽截面形貌；

图5是实施例3中的凹槽表面形貌；

图6是实施例3中的凹槽截面形貌。

图2、图4和图6中均带有标注为500μm的长度比例尺。

具体实施方式

参照附图，一种安培力作用下的可控深度激光减材制造方法，包括以下步骤：

(1)对金属材质的待减材工件的表面进行打磨、清洗、干燥处理，然后将待减材工件水平固定在工作台上；

(2)将激光器设置在待减材工件的上方，激光器发射的激光束将在待减材工件的待开槽区域扫描，以形成所需的凹槽，且定义激光束在待减材工件上的移动方向为x轴方向；将两个电极分别设置在待开槽区域的两端，且两个电极之间的连线与所述x轴方向相平行，以使电流方向与所述x轴方向相平行；将磁铁的两个磁极分别设置在待开槽区域的两侧，且两个磁极之间的连线与x轴方向相垂直，以使磁场方向与x轴方向相垂直；

(3)在两个电极之间通入直流电流，两个电极在待开槽区域形成电场，且电场的方向和大小均可调节；两个磁极在待开槽区域形成磁场，且磁场的方向和大小均可调节；并根据左手定则，控制电流方向和磁场方向，以确保电场和磁场产生的安培力的方向与待减材工件的重力方向相反；

(4)开启激光器，同时从待开槽区域沿x轴方向的两侧自上而下向开槽区域倾斜喷射保护气，激光束在待减材工件的待开槽区域上沿x轴方向按照预定轨迹进行扫描；控制激光光斑的大小和形状，以调节凹槽的宽度和形状；控制激光功率和激光扫描速度，以调节凹槽的深度；

激光束的扫描区域形成液态熔池，而凹槽的截面轮廓由液态熔池的横截面形貌决定，可通过控制激光束的能量密度分布，以调节凹槽的横截面形状；

液态熔池内熔融的金属同时受到所述安培力的作用、重力作用和保护气的冲击作用，且所述安培力的方向与熔融的金属的重力方向相反；控制电流大小和磁场大小，以确保所述金属受到的安培力的大于熔融的金属自身的重力；随后，熔融的金属在安培力作用下脱离熔池，且在保护气的冲击作用下向沿沿x轴方向的两侧排出，凹槽形成；

(5)停止激光器、电场和磁场的作用，清理排出到凹槽两侧的金属，完成减材制造过程。

所述电流的大小为1000A～2000A。

所述磁场的磁场强度为1.5T～2.5T。

激光功率为1kW～6kW、激光束的光斑大小为1mm～20mm，激光束的扫描速度为2mm/s～400mm/s。

实施例1

激光减材对象为316L不锈钢，机械加工成100mm×10mm×10mm的待减材工件。

(1)将待减材工件的表面进行打磨、清洗、干燥等预处理，平置于工作台上。

(2)将电极布置在待开槽区域沿x轴方向的两端，将磁极布置在待开槽区域沿x轴方向的两侧；

(3)电极两端通入直流电流，电流大小为1000A，调节稳态磁场强度至1.5T。

(4)开启激光器，使激光束沿待开槽区域按照预定轨迹进行扫描，使扫描区域形成一定形状的液态熔池。激光功率为2kW，光斑大小为4mm，扫描速度为10mm/s。

在此工艺参数条件下，激光扫描的表面所形成的凹槽未连续，说明此时的安培力大小处于临界状态(即略微大于熔池流体所受重力的大小)。通过测量可知，激光减材的凹槽横截面形状为U型，其中的熔融金属流体已经溢出，且凹槽深度为1.4mm，减材制造结果如图1、2所示。

实施例2

激光减材对象为316L不锈钢，机械加工成100mm×10mm×10mm的待减材工件。

(1)将待减材工件的表面进行打磨、清洗、干燥等预处理，平置于工作台上。

(2)将电极布置在待开槽区域沿x轴方向的两端，将磁极布置在待开槽区域沿x轴方向的两侧；

(3)电极两端通入直流电流，电流大小为2000A，调节稳态磁场强度至2.5T。

(4)开启激光器，使激光束沿待开槽区域按照预定轨迹进行扫描，使扫描区域形成一定形状的液态熔池。激光功率为2kW，光斑大小为4mm，扫描速度为10mm/s。

在激光工艺参数不变的条件下，提高磁场和电流强度，提高安培力值，激光减材所形成的凹槽连续，可实现熔池内部所有熔融液体的溢出，凹槽的深度为2.6mm，减材制造结果如图3、4所示。

实施例3

本实施例与实施2的区别在于：步骤(4)中的激光功率为6kW。

由于激光功率的增加，熔池深度增加，所形成的凹槽深度也增加至3.5mm，激光减材所形成的凹槽形貌如图3、4所示。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。