CN103317234A - 激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法及其装置，其方法是利用激光加工系统产生高能量激光束在工件上进行切割、打孔、开槽加工，同时，腐蚀介质射流装置产生的高速射流束及时对激光烧蚀的材料表面进行冲蚀，达到去除材料的目的；其装置包括激光器和电源，还包括射流产生装置和腐蚀液循环回流装置，射流装置包括腐蚀液箱、柱塞高压泵、压力表、蓄能器、单向控制阀、耐腐蚀喷嘴、射流装置固定夹具。本发明的方法以激光刻蚀为主，在激光刻蚀的基础上增加了高速腐蚀介质射流束的冷却、同步冲蚀以及二者之间的复合加工作用，从而实现对材料的激光诱导低压射流复合刻蚀加工；本发明提供了一个高效、清洁的复合刻蚀加工工艺。

Description

激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法及装置

一、技术领域

本发明涉及一种难加工材料毫米级切割、打孔、开槽等加工的方法，尤其涉及一种利用激光刻蚀、水射流加工和化学腐蚀的复合加工方法，同时涉及一种该方法专用的加工装置。

二、背景技术

水射流加工和激光刻蚀是最近三十年来才逐渐成熟起来的加工工艺，由于其具有较好的加工优越性，故而广泛应用在微电子器件加工、精密机械加工等行业。在电子和精密机械等行业，经常需要精密加工各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的金属与非金属材料，如经常需要对精细陶瓷石英、金刚石、硅、以及各种高合金钢这类材料进行加工。这类材料的特点是切削力大(磨削力大)，不易产生剪切变形，难以利用普通的机械方法进行加工。为了加工这类材料，人们发明了各种加工方法，其中激光刻蚀加工是一个重要的加工方法。激光刻蚀加工是利用经过聚焦的高密度能量直接作用在材料上，通过熔化、蒸发和喷射等形式实现物质的转移而进行材料的加工，其特点是效率高、速度快、质量较好。激光刻蚀加工技术在电子等行业已经广泛用来进行器件加工。但由于激光刻蚀加工主要是利用高密度能量通过熔化、蒸发和喷射来实现材料加工，因此，往往在材料加工表面不可避免存在由于热应力而产生的微裂纹，以及在加工表面粘附着熔渣，从而影响加工产品的合格率和加工质量，另外，激光刻蚀加工过程由蒸发和喷射产生的微颗粒灰尘，也影响了精密器件加工质量和性能。为避免上述缺点和提高刻蚀效率，多年来一直有人试图结合利用化学刻蚀技术，研究一种复合刻蚀加工技术来尝试进行材料精密刻蚀加工，以提高材料的刻蚀速率和质量。激光诱导湿刻是将激光与传统的化学刻蚀相结合的复合加工方法。它利用激光的热化学效应对材料进行刻蚀，即在激光照射区，金属表面的钝化膜在化学和物理作用下被溶解或剥离。同时，当激光照射到金属表面时，使激光作用附近区域的腐蚀液温度升高，使腐蚀液形成温度梯度，产生强烈的微对流，从而把更多的反应离子带到光照区，而反应产物则被带离光照区，这样，光照区和非光照区刻蚀速率明显不同，从而可以实现对金属进行选择性刻蚀。这种工艺具有刻蚀效率高、刻蚀速率易控、刻蚀温度低、刻蚀深度比大等优点，因此得到较为广泛的研究与应用，如利用该法可以在各种透明材料上制作出具有较高性能的光学器件和方形盲孔阵列等微结构。

目前国内外关于去除材料表面微裂纹、热影响区和熔渣研究的主要技术措施包括：电化学辅助激光加工、水射流引导激光加工、化学辅助激光加工、后续光整加工等，以上研究的方法，虽然在一定程度上提高了材料的刻蚀速率和刻蚀质量，但如果用来进行批量生产，离实际需要还有比较大的差距，特别是利用这种复合加工方法进行大尺度(如数毫米以上)加工，加工速度远不能满足要求；另外，由于刻蚀加工的产物不容易排除干净又重新粘附和沉淀在刻蚀加工表面而影响了刻蚀表面质量。这些工艺技术没有很好的解决微裂纹、熔渣等表面质量问题。因此研究出一种激光复合加工技术来解决对难加工材料的大尺度精密加工的加工表面质量问题很有必要，其工程应用前景是很广的。

在综合分析以上介绍的背景技术基础上，借鉴激光刻蚀、水射流加工、化学腐蚀加工的技术原理，创新提出了激光诱导低压射流复合刻蚀加工工艺技术并发明设计了相应装置，该工艺一方面充分利用一定速率的介质射流的动能冲击作用，对被加工材料进行冲蚀，从而可以显著提高激光诱导刻蚀的速率。另一方面快速流动的介质可以比较干净和快速地把熔渣和腐蚀产物带走，避免这些产物粘附和沉淀在加工试样表面，能显著提高刻蚀表面质量。这种技术方法的研究利用射流加工对加工表面没有热影响和加工表面质量比较高的特点，同时只需要采用比较低的射流压力，可以避免使用比较复杂而价值较贵的高压射流设备和喷头。激光诱导低压射流复合刻蚀技术可以对材料的高效而清洁的切割、打孔和开槽等加工。这种工艺技术为实现对难加工材料的高效清洁加工有很重要的意义。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种可对难加工材料实现毫米级的切割、打孔和开槽等加工，并可消除加工表面微裂纹、热影响区、熔渣等表面质量问题，实现清洁高效加工的方法，同时提供该方法专用的的加工装置。

2、技术方案：为达到上述的发明目的，本发明的方法：把某种腐蚀介质溶液通过柱塞高压泵变成低压射流，与激光束几乎同步对激光烧蚀后的试样如硅、精细陶瓷、石英、高合金等难加工材料表面进行冲蚀加工。充分利用激光高密度能量直接烧蚀去除能力和一定压力腐蚀介质溶液的冲蚀去除能力，从而实现难加工材料的快速加工。同时利用一定压力的腐蚀介质溶液对激光加工面的熔渣等进行冲刷和腐蚀，降低加工面的粗糙度。加工过程中液体介质具有冷却作用，还可降低加工面的温度梯度，避免由于热应力而在硬脆性材料加工表面产生微裂纹。

本方法中使用的腐蚀液介质为HCl溶液或KOH溶液。

所述HCl溶液浓度为65％；

KOH溶液浓度为75％。

本发明的装置包括激光加工系统和电源，还包括液体射流装置和密封工作箱，其中激光加工系统包括激光器、聚焦镜、X-Y-Z三轴数控工作台、辅助气体，液体射流装置包括腐蚀液槽、柱塞高压泵(30MPa)、压力表、蓄能器、单向控制阀、耐腐蚀喷嘴、射流装置固定夹具。

电源为三相四线，AC 380V±10％，50H_Z，25KW，装有刀闸。

本装置还包括腐蚀液循环过滤回流系统，该腐蚀液循环回流系统进液管、密封工作箱、回液管、腐蚀液槽、溢流回流控制阀门。腐蚀液槽中的液体依次经过柱塞高压泵、压力表，通过蓄能器消除水压脉动后，接着进入喷射腔体，通过单向控制阀门控制液体流速，从喷嘴射出，然后流入密封工作箱底部经回液管回流至腐蚀液槽；其中压力表设在柱塞高压泵和蓄能器之间，用来调节腐蚀液的压力；单向阀门设在蓄能器和喷射装置之间，用来调节液体射流速度。

本装置还包括过滤器，设在密封工作箱和腐蚀液槽之间，用来过滤回流到腐蚀液槽中的杂质；本装置中的溢流回流控制阀设在柱塞高压泵和压力表之间，用来将进液管路中多余的腐蚀液体回流至腐蚀液槽中；本装置中的排气孔是用来排除激光高温加工和射流加工产生的腐蚀性气体。

本发明的方法中，把激光诱导化学刻蚀(激光与化学复合加工)和射流加工技术结合起来，把化学腐蚀液体介质变成一定压力的射流，及时对激光烧蚀的表面进行冲蚀，实现对材料进行激光诱导低压射流刻蚀加工。该法实现了一种高效清洁又具有较好的表面加工质量的方法，可以用来对微机电系统的微器件进行高效加工，预计还可以广泛用来进行材料的高效而清洁的切割、打孔和开槽等加工。

本发明的加工装置，将工件固定在密封工作箱中，通过数控软件控制X-Y-Z三轴联动工作台移动，来实现对密封工作箱中工件的移动，射流束通过固定在工作台上的喷嘴射出，实现对工件进行同步加工，激光束在高温烧蚀材料的同时，射流束对激光加工区域起着冷却作用，同时利用一定压力的腐蚀介质溶液对激光加工面的熔渣等进行冲刷和腐蚀，降低加工面的粗糙度。加工过程中液体介质具有冷却作用，还可降低加工面的温度梯度，避免由于热应力而在硬脆性材料加工表面产生微裂纹；这为难加工材料的刻蚀加工提供一种可行的新方法。

3、加工工艺优点：本发明的优点：(1)本发明的方法以激光刻蚀为主，在激光刻蚀的基础上，增加了高速腐蚀液射流束的冷却、同步冲蚀以及二者之间的复合加工作用，从而实现对材料的激光诱导低压射流复合刻蚀加工；复合加工工艺材料首先是在激光的高功率密度作用下，直接发生烧蚀加工，然后再利用高速腐蚀液对工件进行同步冲蚀和腐蚀加工。激光的作用主要是通过激光能量以及材料与氧气化学反应的热能使材料以熔渣的形式从基体材料上剥离出来，高速射流束对工件进行同步冲蚀和冷却工件的作用，化学腐蚀的作用是通过溶解激光加工过程中的凸点和熔渣等来提高材料的表面质量；同时三者的藕合作用进一步促进加工表面的物理与化学反应，从而共同达到去除材料的目的。射流束的冷却作用可以迅速消除工件表面的熔渣等喷溅物、微裂纹及热影响区，使工件表面具有较好的表面质量；本发明中去除材料以激光烧蚀作用为主，而腐蚀液射流束主要起着冷却工件、实现对工件进行同步冲蚀的作用，以去除工件的表面熔渣和微裂纹为主。选用的腐蚀液是经过稀释后的液体，其腐蚀性很低，对于减小或消除腐蚀液对精密零件和设备的腐蚀有着重要的意义。(2)本发明的装置实现了激光束和射流束对工件的同步加工，其中激光束和射流束的空间位置可随着工件加工位置的变化进行灵活调节，射流束和激光束聚焦在工件表面烧蚀的位置重合，可以同时实现激光束照射下的射流束加工及射流束中的激光束加工，在激光烧蚀的过程中利用腐蚀液来辅助溶解激光加工生成的表面熔渣，同时激光转化的热量可以促进腐蚀液对表面材料的物理和化学反应，两者的复合加工作用，充分利用激光高密度能量直接烧蚀去除能力和一定压力腐蚀介质溶液的冲蚀去除能力，从而实现难加工材料的快速加工。同时利用一定压力的腐蚀介质溶液对激光加工面的熔渣等进行冲刷和腐蚀，降低了加工面的粗糙度。该法既优化了加工表面质量，又提高了加工效率，综合达到了高效、清洁的技术经济效果。(3)本发明的装置结构简单，射流装置造价较低，易于安装、检修。

四、附图说明

附图是本发明的激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置的结构示意图。

图1中标号名称：1、三相交流电源；2、激光器；3、聚焦透镜；4、辅助气体；5、工件；6、排气孔；7、工件夹具；8、密封工作箱；9、X-Y-Z数控工作台；10、单向控制阀；11、射流装置固定夹具；12、蓄能器；13、压力表；14、进液管；15、过滤器；16、柱塞高压泵；17、溢流回流控制阀；18腐蚀液槽；19、回液管；20耐腐蚀喷嘴。

五、具体实施方式

实施例1：本实施例为激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法，首先是利用高能量密度激光束对工件进行刻蚀，同时利用一定压力的腐蚀介质溶液对激光加工面的熔渣等进行冲刷和腐蚀，降低加工面的粗糙度。加工过程中液体介质具有冷却作用，还可降低加工面的温度梯度，避免由于热应力而在硬脆性材料加工表面产生微裂纹。

所述的腐蚀液为HCl溶液或KOH溶液，HCl溶液浓度为65％；KOH溶液浓度为75％，根据工件的材质选用其中之一，浓度可进行稀释。

实施例2：本实施例为激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，包括交流电源1和激光器2，还包括聚焦透镜3和X-Y-Z数控工作台9，还包括射流装置和工件夹具7，其中射流装置包括腐蚀液槽18、柱塞高压泵16、压力表13、蓄能器12、单向控制阀10、耐腐蚀喷嘴20、射流装置固定夹具11，柱塞高压泵16一端和进液管14连接，经过压力表13，流入蓄能器12，消除水压脉动后经过耐腐蚀喷嘴20喷射出来，耐腐蚀喷嘴的固定和角度变化是通过射流装置固定夹具完成的。

本实例还包括腐蚀液循环过滤回流系统，该腐蚀液循环回流系统包括进液管14、密封工作箱8、回液管14、腐蚀液槽18、溢流回流控制阀门17。腐蚀液槽中的液体依次经过柱塞高压泵16、压力表13，通过蓄能器12消除水压脉动后，接着进入喷射腔体，通过单向控制阀门10控制液体流速，从喷嘴20射出，然后流入密封工作箱8底部，经回液管19回流至腐蚀液槽18，其中进液管14中多余的腐蚀液体，通过溢流回流控制阀17回流至腐蚀液槽18中。

本装置还包括过滤器15，设在密封工作箱8和腐蚀液槽18之间，用来过滤回流到腐蚀液槽18中的杂质。本装置还包括排气孔6，它的作用是用来排除激光高温加工和射流加工产生的腐蚀性气体，降低对精密加工设备的腐蚀。

本装置还包括溢流回流控制阀17设在柱塞高压泵16和压力表13之间，用来将进液管14中多余的腐蚀液体回流至腐蚀液槽18中。

实施例3：本实施例与实施例2的结构基本相同，电源1为三相交流电源。

实施例2和实施例3的装置工作时，把密封工作箱8固定在X-Y-Z数控工作台9上，工件5通过工件夹具7固定在密封工作箱8上，利用电脑控制X-Y-Z数控工作台9按规定轨迹运动就可以保证工件5与激光束和射流束之间有相对运动而进行任意刻蚀加工。加工采用激光器2，利用比较高的激光能量密度直接作用在被刻蚀加工的工件5表面，在工件5表面激光作用点处产生熔化、汽化和喷射，从而形成孔洞，接着在很短的时间内几乎与刚作用的激光束同步，射流束立即对刚被烧蚀的表面进行冲蚀，紧跟着试样移动一点，激光束和介质射流束向相邻点作用又重复上述过程。当激光束和射流束离开一个很短距离后，孔洞内仍然充满温度比较高的腐蚀性液体介质，可以继续对工件5继续腐蚀加工。最终固定在X-Y-Z数控工作台9的工件5在电脑的控制下，和激光束和射流束相对移动，被先后烧蚀和冲蚀形成一个孔群的结合，从而达到加工的目的。具体的实施过程如下：

(1)光路检测：启动并调整激光器2发出不可见红外激光束，为指示聚焦光斑位置，通过激光器自带的二极管激光指示器在工件5表面形成一个红色光点，用来表示光斑位置，检查光路是否通畅，通过聚焦透镜3，光束聚焦是否正常。

(2)工件5定位：将工件5定位在工件夹具7上，再固定于X-Y-Z数控工作台9上，通过调整数控工作台9的位置，将工件5待加工区域置于激光聚焦光斑位置。

(3)射流装置通电检测：将柱塞高压泵16通电，待正常运转后，将进液管14置入腐蚀液槽18中，检查液体是否能正常从耐腐蚀喷嘴20射出，压力表读数是否正常，射流腔体固定在射流装置夹具11是否牢固，单向控制阀是否正常。

(4)腐蚀液循环过滤回流系统：确认管路畅通，开启柱塞高压泵16，检查溢流回流控制阀是否正常工作，腐蚀液槽中的液体依次经过柱塞高压泵16、压力表13，通过蓄能器12消除水压脉动后，接着进入喷射腔体，通过单向控制阀门10控制液体流速，从喷嘴20射出，然后流入密封工作箱8底部，经回液管19回流至腐蚀液槽18，其中进液管14中多余的腐蚀液体，通过溢流回流控制阀17回流至腐蚀液槽18中。

(5)开启电源1和激光器2，调整参数后发出激光束，同时开启柱塞高压泵16，进行激光诱导低压射流复合刻蚀加工，通过调节压力表13来控制液体射流的压力(0～30MPa)，通过调节单项控制阀门10的开启程度来控制射流束的速度，通过调节溢流回流控制阀17来控制进液管路中的液体，使管路中的液体压力保持正常水平(30Mpa以下)。

Claims (10)

1.一种激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法，利用激光加工系统产生高能量激光束在工件上进行切割、打孔、开槽加工，同时，腐蚀介质射流装置产生的高速射流束及时对激光烧蚀的材料表面进行冲蚀，达到去除材料的目的；加工过程中液体介质具有冷却作用，还可降低加工面的温度梯度。

2.如权利要求1所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法，其特征在于，腐蚀液为HCl溶液或KOH溶液。

3.如权利要求2所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法，其特征在于，所述的HCl溶液浓度为65％。

4.如权利要求2所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法，其特征在于，所述的KOH溶液浓度为75％。

5.一种激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，包括交流电源1和激光器2，还包括聚焦透镜3和X-Y-Z数控工作台9，还包括射流装置和工件夹具7，其中射流装置包括腐蚀液槽18、柱塞高压泵16、压力表13、蓄能器12、单向控制阀10、耐腐蚀喷嘴20、射流装置固定夹具11，柱塞高压泵16一端和进液管14连接，经过压力表13，流入蓄能器12，消除水压脉动后经过耐腐蚀喷嘴20喷射出来，耐腐蚀喷嘴的固定和角度变化是通过射流装置固定夹具完成的。

6.如权利要求5所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，其特征在于，电源(1)为三相交流电源。

7.如权利要求5或6所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，其特征在于，还包括腐蚀液循环过滤回流系统，该腐蚀液循环回流系统包括进液管14、密封工作箱8、回液管14、腐蚀液槽18、溢流回流控制阀门17。腐蚀液槽中的液体依次经过柱塞高压泵16、压力表13，通过蓄能器12消除水压脉动后，接着进入喷射腔体，通过单向控制阀门10控制液体流速，从喷嘴20射出，然后流入密封工作箱8底部，经回液管19回流至腐蚀液槽18，其中进液管14中多余的腐蚀液体，通过溢流回流控制阀17回流至腐蚀液槽18中。

8.如权利要求5或6所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，其特征在于，还包括过滤器15，设在密封工作箱8和腐蚀液槽18之间，用来过滤回流到腐蚀液槽18中的杂质。

9.如权利要求5或6所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，其特征在于，还包括排气孔6，它的作用是用来排除激光高温加工和射流加工产生的腐蚀性气体，降低对精密加工设备的腐蚀。

10.如权利要求5或6所述的激光诱导低压射流复合刻蚀加工装置，其特征在于，还包括溢流回流控制阀17设在柱塞高压泵16和压力表13之间，用来将进液管14中多余的腐蚀液体回流至腐蚀液槽18中。

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