基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统技术方案

本发明专利技术提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统，包括以下步骤：步骤1，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；步骤2，根据步骤1中得到的加工深度信息对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；步骤3，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；本发明专利技术能够实现激光对带腔体材料的高质量加工的同时实现无后壁损伤加工。时实现无后壁损伤加工。时实现无后壁损伤加工。

【技术实现步骤摘要】
基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统


[0001]本专利技术属于激光加工过程监测及加工制造领域，特别涉及基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统。

技术介绍

[0002]由于激光加工具有高精度、高质量、热影响小、无重铸层及可加工任意材料等特点，逐渐在航空航天、电子电路、船舶制造等多个领域广泛应用。然而激光加工属于无接触式加工，穿透加工表面后会持续作用在材料背面的物质上，在加工叶片、喷油嘴等具有中空腔体的材料时容易造成后壁表面受损甚至材料去除，即“后壁损伤”。后壁损伤会导致损伤处产生应力集中，造成材料在工作时受力不均，在实际生产应用中，存在后壁损伤的材料会直接做报废处理。因此后壁防护技术在激光加工中空腔体材料时十分关键，会直接影响到激光加工材料的可靠性以及激光加工在该行业的推广。
[0003]当前的后壁防护技术主要分为两种：腔体材料填充与激光加工在线监测。其中腔体材料填充即在中空腔体中填充一部分材料，以此减少或消除激光能量。但是该方法无法及时反馈防护状态，只能被动承受激光的辐照，对于狭小腔体的防护效果有限；激光加工在线监测方法一般是指实时监测加工过程状态，待激光穿透叶片后停止激光，该方法对数据处理的实时性要求极高，且仅能够实现后壁防护而无法保证加工材料的加工质量，无法满足加工质量的需求。因此亟需发展一种具备实现后壁防护功能的同时也可保证加工质量的后壁防护方法，以消除激光加工过程中的后壁损伤问题，推动激光加工在中空腔体材料加工领域的应用

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法及系统，解决了现有技术中存在的上述不足。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；
[0008]步骤2，根据步骤1中得到的加工深度信息对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；
[0009]步骤3，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工。
[0010]优选地，步骤2中，对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，具体方法是：
[0011]根据激光参数、材料参数和加工参数，结合支持向量回归、决策树回归、长短时记忆神经网络或Transformer建立得到烧蚀速率模型；
[0012]以获取的深度信息为基础，根据烧蚀速率模型预测下一脉冲加工深度，得到预测深度。
[0013]优选地，步骤3中，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工，具体方法是：
[0014]当预测深度与目标材料的厚度一致时，则通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；
[0015]当预测深度小于目标材料的厚度时，则重复步骤1至步骤2。
[0016]优选地，通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，具体方法是：
[0017]以测量深度为输入值，激光能量密度为输出值，实际深度为被控对象，同时，固定剩余激光加工参数，采用预测控制方法建立防护材料的孔深控制模型；
[0018]利用孔深控制模型调控激光加工参数以控制加工孔深小于等于防护材料厚度。
[0019]基于干涉测量的激光加工后壁组合防护系统，该系统能够运行所述的方法，包括激光器、光束传输系统、空间光调制器、偏振转换器、干涉测量模块、二向色镜、扫描振镜和系统控制器，其中，所述激光器输出的激光光束依次经过光束传输系统、空间光调制器、偏振转换器和二向色镜入射至扫描振镜进行聚焦；所述扫描振镜输出的激光光束作用在填充有防护材料的目标材料上；
[0020]所述干涉测量模块输出的探测光束透过二向色镜与激光器输出的光束耦合，用以实时获取加工区域的加工深度信息；并将获取的加工深度信息传输至系统控制器；
[0021]所述系统控制器用于根据接收到的加工深度信息反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工。
[0022]优选地，所述干涉测量模块包括探测光源、光隔离器、光纤环形器、光纤耦合器、光纤反射镜、光纤偏振控制器、光纤相位调制器、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜和信号探测器，其中，所述探测光源发射出的探测光经过光隔离器入射至光纤环形器，所述光纤环形器的出射光入射至光纤耦合器，所述光纤耦合器输出两束光，其中一束光经过光纤相位调制器和光纤偏振控制器入射至光纤反射镜上，另一束光经过第一光纤准直镜进行准直后通过二向色镜与加工光束耦合并聚焦到目标材料上，从目标材料上反射回来的探测光与从参考镜上反射回来的参考光返回至光纤耦合器中发生干涉，并进一步经过光纤环形器和第二光束准直镜入射到信号探测器上；所述信号探测器用于获取探测光与参考光之间的干涉光谱信号，并将得到的干涉光谱信号传输至系统控制器。
[0023]优选地，所述探测光源为飞秒光频梳、扫频激光光源或超辐射发光二极管。
[0024]优选地，所述信号探测器为光谱仪或平衡探测器。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0026]本专利技术提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，采用激光干涉测距原理，对激光加工腔体材料过程的孔深进行实时监测，通过预测深度反馈调控激光加工参数，以实现激光加工过程中的孔深实时控制，结合腔体材料填充，在激光穿透目标材料后实时控制激光参数防止激光对腔体材料造成损伤，并对加工区域进行精确修型，由此实现激光对带腔体材料的高质量加工的同时实现无后壁损伤加工。
[0027]本专利技术提供的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护系统，通过干涉测量模块实时获取干涉光谱信号，根据该干涉光谱信号实时获取加工区域的加工深度信息；进而通过
系统控制器实现对激光器发射的激光参数进行调整，进而实现激光对带腔体材料的高质量加工的同时实现无后壁损伤加工。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例的方法流程图；
[0029]图2是本专利技术实施例的整体系统结构示意图；
[0030]图3是本专利技术实施例的整体系统结构示意图；
[0031]图4是本专利技术实施例的干涉测量模块结构示意图；
[0032]其中，1、激光器，2、光束传输系统，3、空间光调制器，4、偏振转换器，5、干涉测距模块，6、二向色镜，7、扫描振镜，8、目标材料，9、样品运动台，10、防护材料，11、系统控制器，12、工控机，13、透镜，14、探测光源，15、光隔离器，16、光纤环形器，17、光纤耦合器，18、光纤反射镜，19、光纤偏振控制器，20、光纤相位调制器，21、第一光纤准直镜，22、第二光纤准直镜，23、信号探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用激光加工系统对填有防护材料的目标材料进行加工，并实时获取加工区域的加工深度信息；步骤2，根据步骤1中得到的加工深度信息对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，并将预测深度与目标材料的厚度信息进行对比；步骤3，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工。2.根据权利要求1所述的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，步骤2中，对目标材料下一脉冲的深度信息进行深度预测，得到预测深度，具体方法是：根据激光参数、材料参数和加工参数，结合支持向量回归、决策树回归、长短时记忆神经网络或Transformer建立得到烧蚀速率模型；以获取的深度信息为基础，根据烧蚀速率模型预测下一脉冲加工深度，得到预测深度。3.根据权利要求1所述的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，步骤3中，根据步骤2的对比结果反馈调节激光加工参数，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工，具体方法是：当预测深度与目标材料的厚度一致时，则通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，直至加工孔深接近防护材料厚度或加工区域满足要求后，停止加工；当预测深度小于目标材料的厚度时，则重复步骤1至步骤2。4.根据权利要求3所述的基于干涉测量的激光加工后壁组合防护方法，其特征在于，通过反馈调控激光加工参数对加工区域进行修型，具体方法是：以测量深度为输入值，激光能量密度为输出值，实际深度为被控对象，同时，固定剩余激光加工参数，采用预测控制方法建立防护材料的孔深控制模型；利用孔深控制模型调控激光加工参数以控制加工孔深小于等于防护材料厚度。5.基于干涉测量的激光加工后壁组合防护系统，其特征在于，该系统能够运行权利要求1
‑
4所述的方法，包括激光器(1)、光束传输系统(2)、空间光调制器(3)、偏振转换器(4)、干涉测量模块(5)、二向色镜(6)、扫描振镜(7)、系统控制器(11)和工控机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅雪松，孙涛，凡正杰，段文强，王文君，刘斌，崔健磊，赵万芹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：