CN103831540A - 一种激光复合打孔陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光复合打孔陶瓷的方法，包括：S1.选择陶瓷体上打孔的部位；S2.采用水射流技术，工作台的一侧还设置有水射流系统，水射流系统的结构为：包括电机，电机连接泵，泵的输入端连接水箱，泵的输出端通过管路连接有喷枪，喷枪的头部安装喷嘴，喷嘴喷出的水射流射向陶瓷板材；S3.激光束沿所述的打孔轮廓移动进行加工。本发明只需利用低压的水射流，成本低，可以实现高效、低损伤的陶瓷打孔加工，产品表面加工质量好，生产效率高。

Description

一种激光复合打孔陶瓷的方法
技术领域：
本发明涉及激光的应用领域，尤其是一种采用低压水射流的激光复合打孔陶瓷的方法。
背景技术：
现有的陶瓷制品坯体的激光打孔方法主要采用(C02或Nd：YAG)激光，利用光学聚焦技术可以把激光汇聚在微米量级的极小范围内，从而可获得105～1015W／cm2极高的光照功率密度，利用激光的高温使被照射区的材料瞬间熔化直至气化，并在强烈冲击波下爆射式地去除。
激光加工具有激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；工件不受应力，不易污染；可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工。但是，陶瓷属硬、脆材料，热稳定性较差，这种激光加工方法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，以及在加工表面存在重铸层，从而影响加工产品的合格率和加工质量；另外，激光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。
发明内容：
为了解决上述现有生产技术中的陶瓷打孔方法会产生微裂纹和重铸层，影响产品加工质量等缺点，本发明提供一种激光复合陶瓷打孔的方法，从而有效的避免在产品表面产生微裂纹的现象，同时减少了热影响区，热损伤减少，大大提高了加工表面的质量。
本发明公开一种激光复合打孔陶瓷的方法，包括：
S1.选择陶瓷体上打孔的部位；
S2.采用水射流技术，工作台的一侧还设置有水射流系统，水射流系统的结构为：包括电机，电机连接泵，泵的输入端连接水箱，泵的输出端通过管路连接有喷枪，喷枪的头部安装喷嘴，喷嘴喷出的水射流射向陶瓷板材；
S3.激光束沿所述的打孔轮廓移动进行加工。
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，还包括步骤S4，在所述的打孔部位吹入辅助气体，吹走汽化和去除下来的材料。
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的喷枪的喷嘴喷出的水射流滞后于激光头所喷出的激光束和辅助气体，滞后距离a为1mm～2mm；
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的辅助气体为氧气；
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的辅助气体的压力为0.2MPa～0.5MPa，压力较小，避免产生打孔损伤。；
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的水射流的压力小于10bar，压力较小，避免产生打孔损伤；
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的水射流的流速为12m／s～22m／s；
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的陶瓷板材的厚度为：0.8mm～2mm；
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的泵的一侧通过管道连接工作台，管道上设置有过滤器。
在本发明所述的激光复合打孔陶瓷的方法中，所述的激光束可X轴、Y轴、Z轴三个方向上运动。
实施本发明的一种激光复合打孔陶瓷的方法，具有以下有益的效果：
1.本发明结构合理，操作简便，同时低压水射流的装置成本低；
2.低压的水射流可以有效的避免了水射流压力过大对冲蚀区打孔所产生的损伤，可以实现高效、低损伤的陶瓷打孔加工，产品表面加工质量好，生产效率高。
附图说明：
图1为本发明操作所需的装置结构示意图。
其中：1、工作台；2、陶瓷板材；3、辅助气体；4、激光束；5、注射针头；6、喷嘴；7、喷枪；8、过滤器；9、水箱；10、管路；11、泵；12、电机；13、激光头；14、水射流。
图2为本发明实施一种激光复合打孔陶瓷方法的流程图。
具体实施方式：
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行打孔、切割、焊接、表面处理、微加工以及作为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术，激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。
请参阅图2，一种激光复合打孔陶瓷方法，包括：
S1.选择陶瓷体上打孔的部位；
陶瓷板材的厚度为：0.8mm～2mm。
S2.采用水射流技术，工作台的一侧还设置有水射流系统，水射流系统的结构为：包括电机，电机连接泵，泵的输入端连接水箱，泵的输出端通过管路连接有喷枪，喷枪的头部安装喷嘴，喷嘴喷出的水射流射向陶瓷板材；
其中喷嘴的直径越小越好，成本低，更换方便，可选用医用注射针头。
S3.激光束沿所述的打孔轮廓移动进行加工。
为了打孔方便，激光束可X轴、Y轴、Z轴三个方向上运动。
S4.在所述的打孔部位吹入辅助气体，吹走气化和加工下来的材料。
高速气流对激光与陶瓷相互作用有一定的冷却作用，使激光与陶瓷互相作用产生的热量向机体内部的传导深度降低，从而使由于受热融化快速冷却而产生的重铸层厚度下降，激光束射向陶瓷体上，激光束焦点处的能量密度超过陶瓷的破坏阀值，使得打孔边缘处的陶瓷汽化成陶瓷颗粒，通过吹入氧气将汽化状态的陶瓷颗粒迅速去除，以免影响下面的加工。
本实施例的利用上述装置进行激光复合打孔陶瓷的方法，包括以下步骤：
第一步：选择陶瓷板材上打孔区域；
第二步：启动激光系统，调整合理的激光参数；
第三步：利用激光束对陶瓷板材切割区域进行烧蚀，辅助气体进行吹除，以及水射流同时吹向被烧蚀的区域，同时，工作台发生移动，与激光束产生相对运动，最终达到陶瓷板材打孔的目的。
实际使用过程中：以切割厚度为1mm的Al203陶瓷材料为例，对本发明的打孔步骤进行分析。
本发明对1mm的Al203陶瓷材料的加工时，在Nd：YAG固体激光系统中(其最大功率为500W)完成，该系统包括激光器、导光系统、计算机、控制系统(其为现有技术，图中均未画出)，此外还配置了水射流系统，该系统包括电机、泵、喷枪、喷嘴。
其具体实现步骤如下：
(1)、如图1所示，将待打孔的1mm的Al203陶瓷板材固定在工作台上；
(2)、启动激光系统，手动调节激光头光学系统的光学透镜的位置，使激光束焦点的光斑大小控制到最小，重置坐标系；
(3)、导入打孔图形，在控制板上调节激光参数，本实施例中调节激光脉冲电流为200A，脉冲宽度为0.8ms，激光频率为45Hz，工作台水平移动线速度为1mm／s，打开气阀，设置辅助气体压力为0.4MPa；
(4)、在水箱中加入足量的水，打开电机，调节水的压力，使喷枪喷嘴处水射流的流速为12m／s；
(5)、加工过程中，首先利用激光将Al203陶瓷板材加热、熔化(甚至汽化)，与此同时，利用水射流和辅助气体将熔化的材料去除，同时迅速冷却Al203陶瓷板材。
通过上述步骤可以方便的完成陶瓷板材的打孔加工，通过水射流的设置，提高了打孔的速率，提高了产品的表面加工质量。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于，包括：
S1.选择陶瓷体上打孔的部位；
S2.采用水射流技术，工作台(1)的一侧还设置有水射流系统，水射流系统的结构为：包括电机(12)，电机连接泵(11)，泵的输入端连接水箱(9)，泵的输出端通过管路(10)连接有喷枪(7)，喷枪的头部安装喷嘴(6)，喷嘴喷出的水射流(14)射向陶瓷板材(2)；
S3.激光束沿所述的打孔轮廓移动进行加工。
2.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：还包括步骤S4，在所述的打孔部位吹入辅助气体(3)，吹走汽化和去除下来的材料。
3.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述喷枪的喷嘴喷出的水射流滞后于激光头(13)所喷出的激光束(4)，滞后距离a为1mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述辅助气体为氧气。
5.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述辅助气体的压力为0.2MPa～0.5MPa。
6.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述水射流的压力小于10bar。
7.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述水射流的流速为12m／s～22m／s。
8.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述陶瓷板材的厚度为：0.8mm～2mm。
9.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述泵的一侧通过管道连接工作台，所述管道上设置有过滤器(8)，有利于水的循环使用，降低成本。
10.根据权利要求1所述的激光复合打孔陶瓷的方法，其特征在于：所述激光束可X轴、Y轴、Z轴三个方向上运动。
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