CN104493365A - 一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法，其特点在于利用手摇轮和直线导轨来确定喷嘴相对于陶瓷表面的最佳位置以及合理改进激光的扫描路径，最后用激光和水射流共同加工陶瓷。本发明涉及到的加工方法主要分为四步：(1)确定陶瓷尺寸及加工位置；(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数；(3)确定激光扫描速度和扫描路径；(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。通过本发明所提供的装置及方法，可以实现在陶瓷表面刻蚀出所需的凹槽，并且凹槽表面没有明显的熔渣、重铸层等等。
Description
技术领域：
本发明涉及激光加工的应用领域，具体为一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法。
背景技术：
陶瓷具有优良的高温力学性能，抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良性能。它在石油化学工业、宇航和汽车工业等领域中备受青睐，这些领域有的需要在陶瓷表面刻圆槽，有的需要在其表面打圆孔。但是，由于陶瓷的高硬脆性，常规的机械加工存在刀具磨损严重，加工表面粗糙等缺陷，而采用电火花、超声波等特种加工时，依然存在效率低的缺点。
激光加工是指把激光照射到工件上，通过高度聚集的光能转变成热能，使被加工部位熔融和蒸发，实现材料去除的过程，它被誉为“万能加工工具”。激光刻蚀技术作为激光加工技术中的一种，它使得激光刻蚀陶瓷这类难加工材料变成了现实，但由于激光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，因而材料表面会存在比较严重的再铸层和不可避免的残余热应力和微裂纹，影响了材料的表面加工质量。
发明内容：
基于激光刻蚀陶瓷过程中存在的各种问题，本发明通过引入水射流技术，利用水射流-激光刻蚀陶瓷的新方法，以期去除陶瓷表面的熔渣、并降低再铸层厚度、减少热影响区等等，从而提高加工表面的质量。
本发明所述一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法，该装置包括：
(1)激光系统；
(2)水射流系统。
在本发明中，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6+0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s。
在本发明中，所述水射流系统通过安装在喷嘴上的医用针头喷出水射流束，医用针头直径为0.9mm，喷嘴位置由手摇轮和直线导轨调节。
在本发明中，逆时针转动手摇轮，可以通过支撑杆增加喷嘴与加工位置的垂直距离；顺时针转动手摇轮，可以通过支撑杆减小喷嘴与加工位置的垂直距离。
在本发明中，滑动直线导轨可以改变喷嘴与加工位置的水平距离。
在本发明中，调节手摇轮和直线导轨，水射流束与激光束的角度为45±15°，水射流束的流速为16±4m/s。
在本发明中，根据所述的装置进行水射流-激光刻蚀陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)确定陶瓷尺寸及加工位置；
(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数；
(3)确定激光扫描速度和扫描路径；
(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。
在本发明中，所述水射流束和激光束同时加工陶瓷。
在本发明中，所述扫描路径为直线型或者环形，在横向进给时，激光束只空走，而不发送脉冲。
本发明具有的有益效果：
(1)水射流装置简单，成本低，加工过程中没有化学液体参与，对环境污染小；
(2)水射流的冲刷作用能够有效减少陶瓷表面熔渣、降低再铸层厚度，水射流的冷却作用能够显著缩小热影响区；
(3)利用水射流-激光刻蚀陶瓷技术，能够在陶瓷表面刻蚀出加工表面质量良好的凹槽。
附图说明：
图1为本发明加工方法所需的装置结构图。
其中：1、工作台；2、陶瓷片3、激光头；4、辅助气体氧气；5、激光束；6、水射流束；7、反射镜；8、医用针头；9、喷嘴；10、手摇轮；11、支撑杆；12、喷枪；13、直线导轨；14、泵；15、水管；16、水箱；17、V带；18、电动机
图2为本发明实施一种水射流-激光刻蚀陶瓷的加工方法流程图。
图3为本发明实施的激光扫描路径为直线型路径。
其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点
图4为本发明实施的激光扫描路径为环型路径。
其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点
具体实施方式：
为了使本发明能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，对本发明作进一步说明。
如图1所示，包括激光系统和水射流系统，激光系统是主体，激光束(5)的烧蚀作用能够在陶瓷表面刻蚀出相应的凹槽，水射流系统起辅助作用，水射流束(6)的冲蚀作用有效地减少刻槽表面的熔渣。
激光系统的脉冲激光电流强度为150+50A，脉冲宽度为0.6+0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s，激光刻蚀陶瓷深度为纳米级，所需激光系统的工艺参数不能过大。
水射流系统通过安装在喷嘴(9)上的医用针头(8)喷出水射流束(6)，医用针头(8)直径为0.9mm，喷嘴(9)位置由手摇轮(10)和直线导轨(13)调节。
逆时针转动手摇轮(10)，可以通过支撑杆(11)增加喷嘴(9)与加工位置的垂直距离；顺时针转动手摇轮(10)，可以通过支撑杆(11)减小喷嘴(9)与加工位置的垂直距离。
滑动直线导轨(13)，可以改变喷嘴(9)与加工位置的水平距离。
调节手摇轮(10)和直线导轨(13)，使得水射流束(6)与激光束(5)的角度为45±15°，水射流束(6)的流速为1644m/s。
如图2所示，一种水射流-激光刻蚀陶瓷的方法，包括以下步骤：(1)确定陶瓷尺寸及加工位置；(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数；(3)确定激光扫描速度和扫描路径；(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。
水射流束(6)和激光束(5)同时加工陶瓷。
扫描路径为直线型或者环形，在横向进给时，激光束(5)只空走，而不发送脉冲，图3直线型扫描路径具体为：激光在纵向走完直线之后，关断激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束，图4环形路径具体为：激光从外向内扫描，扫描完最外面环形，关断激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束。
一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法，以碳化硅陶瓷为例，具体步骤：
(1)确定陶瓷尺寸及加工位置：
选择碳化硅陶瓷片，陶瓷片尺寸为30x30x2mm，把陶瓷片固定在工作台(1)上的合理位置，使得加工位置恰好为陶瓷片(2)的正中心。
(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数：
正常启动空气开关和激光器开光，激光器为500W的Nd3+：YAG激光器，把激光器的电流强度调为150A，脉冲宽度调为0.6ms，脉冲重复频率调为30Hz。
逆时针转动手摇轮(10)，可以通过支撑杆(11)增加喷嘴(9)与加工位置的垂直距离，使得垂直距离为50cm；滑动直线导轨(13)，可以改变喷嘴(9)与加工位置的水平距离，使得水平距离为50cm。
开启水射流系统开关，使得电动机正常运转，通过调节泵(14)的压力，经过多次实验，最终把水射流流速确定为16m/s，水射流束(6)与激光束(5)的角度为45°。
(3)确定激光扫描速度和扫描路径；
选择激光刻蚀的扫描速度为0.8mm/s，扫描路径为直线型，如图3所示，或者扫描路径为环形，如图4所示。
(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。
在水箱(16)中加入足够的水，启动电动机(18)和激光器，激光按照预定的路径进行扫描。
加工过程结束。
通过上述步骤可以方便的完成碳化硅陶瓷片的凹槽加工，通过水射流系统的设置，既提高了刻蚀的速率，也提高了产品的表面加工质量。
以上所述仅表达了本发明的一种实施方式，其表述比较详细，但是不可以理解为对本发明专利范围的限制。需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作任何形式的修改。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，包括激光系统和水射流系统。
2.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s。
3.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，所述水射流系统通过安装在喷嘴(9)上的医用针头(8)喷出水射流束(6)，医用针头(8)直径为0.9mm，喷嘴位置由手摇轮(10)和直线导轨(13)调节。
4.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，逆时针转动手摇轮(10)，可以通过支撑杆(11)增加喷嘴(9)与加工位置的垂直距离；顺时针转动手摇轮(10)，可以通过支撑杆(11)减小喷嘴(9)与加工位置的垂直距离。
5.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，滑动直线导轨(13)，可以改变喷嘴(9)与加工位置的水平距离。
6.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，调节手摇轮(10)和直线导轨(13)，水射流束(6)与激光束(5)的角度为45±15°，水射流束(6)的流速为16±4m/s。
7.根据权利要求1所述的装置进行水射流-激光刻蚀陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定陶瓷尺寸及加工位置；(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数；(3)确定激光扫描速度和扫描路径；(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。
8.根据权利要求7所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的方法，其特征在于，所述水射流束(6)和激光束(5)同时加工陶瓷。
9.根据权利要求7所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的方法，其特征在于，所述扫描路径为直线型或者环形，在横向进给时，激光束(5)只空走，而不发送脉冲。
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