CN104588872A - 一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置及使用方法 - Google Patents

一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置及使用方法，盛放溶液的工作腔有内外侧壁，分为内外腔，水泵经进水管连接内侧壁、与内腔相通，排水管连接外侧壁、与外腔相通。工作台置于内腔。排水管内径等于或大于进水管内径d，进排水管靠近工作腔的底面。内腔内径D＝(10～20)d。内外侧壁有间距。进水管上接有调节阀和/或流量计。溶液为水或乙醇、甘油、氢氧化钾等溶液中的一种。使用方法为水泵将溶液以一定入流速度送入内腔；液面上升溢出内腔进入外腔，由排水管排出，在工件表面形成稳定定向流动的液膜，快速平复溶液扰动；清澈均匀稳定的液膜减少激光的反射和折射，提高加工效率和质量；溢流层带走熔渣碎屑和热，改善激光加工的质量。

Description

一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置及使用方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置及使用方法。
背景技术
激光加工可精确、高速地切削各类材料，正在受到广泛关注。然而，在功能材料的微加工、亚微加工中，激光诱导的热损伤不可避免，但这是不可接受的。由于加工过程中过多的热沉积会导致功能材料的一些特性，如移植生物相容性和半导体组件的电特性等改变。尽管可用超短激光进行非热加工，但超短激光加工材料的移去率低，且超短激光设备花费高，不符合经济高效的量化生产，使之无法在实际生产中广泛应用。
溶液辅助激光加工技术是将待加工的工件沉浸在溶液中，激光束通过溶液聚焦在工件表面，在溶液中完成激光切割。溶液辅助激光加工能较好地减少激光加工时的飞溅物沉积，也缩小热影响区。与传统的激光加工相比，溶液辅助激光加工也控制了由于热导致的工件材料冶金学性能的改变。
目前溶液辅助激光加工技术存在的一个主要问题是溶液的扰动对激光束传输的影响，尤其是红外脉冲激光受到的影响更大，因为溶液对红外激光有较高吸收率，以至造成显著的光学击穿。此外，在激光加工过程中，在工件表面产生相当多的热能，将溶液汽化，生成蒸汽气泡、形成空穴，溶液显著的不规则扰动，扰乱激光束准确聚焦在工件表面的加工点。另外，在溶液扰动会形成液体表面波纹，波纹的反射和散射也影响激光的传输。
溶液扰动对激光加工的不利影响，使溶液辅助激光加工的质量和效率无法得到保证，限制了此项技术的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是设计一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置，盛放溶液的工作腔有内、外双层侧壁，分为内、外两腔，进水管接在内侧壁，排水管接在外侧壁，工作台置于内腔，溶液在稳定的压力下输入内腔，溶液液面升起，高于内侧壁则溢出进入外腔，从排水管流出，工作台上方形成均匀、光滑的溢流层，上升的液流携带激光加工形成的气泡和熔渣排出内腔，从而保证溶液辅助激光加工的质量与效率。
本发明的另一目的是设计上述溶液辅助激光加工系统的溢流装置的使用方法，进水管以一定的入流速度将溶液送入内腔，在工件表面形成稳定的液膜后、激光聚焦于待加工工件表面进行加工。
本发明设计的一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置包括盛放溶液的工作腔，工作腔内有放置待加工工件的工作台，激光装置位于工作台上方，激光束经聚焦透镜聚焦于工作台上的待加工工件表面。所述工作腔有内、外双层侧壁，分为内、外两腔，水泵经进水管连接工作腔内侧壁、与内腔相通，排水管连接外侧壁、与外腔相通。工作台置于内腔。
所述排水管的内径等于或大于进水管的内径d，且进水管的下沿与工作腔的底面的距离为5～25mm，排水管与工作腔的底面的距离为15～35mm。
所述进水管的内径d＝10～20mm。所述内腔内径D＝(10～20)d。
所述工作腔内、外侧壁之间的间距为10～30mm。
所述工作腔的外侧壁比内侧壁高2～5cm。
所述进水管上接有调节阀和/或流量计。
所述溶液为水、(10～100)v％的乙醇水溶液、(10～100)v％的丙醇水溶液、甘油、(15～60)wt％的氢氧化钾水溶液、(15～60)v％的硝酸水溶液、(15～60)wt％的氯化钠水溶液、(15～60)wt％二甲亚砜(DMSO)水溶液和(15～60)wt％的硝酸钠水溶液中的任意一种。
所述工作台下方有高度可调节的举升机构，以改变工作台表面高度，调节工件表面上液层的厚度。
所述排水管远端接入回收罐，溶液可过滤后循环使用。
本发明的一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置的使用方法为：待加工工件固定于工作台表面，水泵以稳定的压力将溶液送入工作腔的内腔，入流速度为0.4～0.8m/s；液面上升超过内侧壁顶端高度，溢出内腔进入外腔，由排水管排出，工件表面形成稳定定向的流动液膜后、激光聚焦于待加工工件表面进行加工。加工过程中溶液不断地泵入内腔、再由内侧壁顶端溢出，在内腔的待加工工件上方保持稳定均速流动的光滑溢流层。
与现有技术相比，本发明一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置及使用方法的优点为：1、在待加工工件上方形成稳定均速流动的光滑溢流层，可快速平复由于激光加工产生的等离子和水蒸气造成的溶液扰动，工件上的溢流层是清澈和均匀的，可以很大地减少激光的反射和折射，提高激光加工效率和质量；2、内腔中稳定向上的溢流可冲走切割熔渣和碎屑，还带走激光加工时多余的热能，减小加工过程的热影响；改善激光加工的质量；3、本装置结构简单，成本低，易于实施。
附图说明
图1为本溶液辅助激光加工系统的溢流装置实施例结构示意图。
图2为本图1局部放大示意图。
图中标号为：
1、水泵，2、调节阀，3、流量计，4、进水管，5、激光装置，6、激光束，7、工件，8、工作台，9、举升机构，10、内侧壁，11、外侧壁，12，排水管，13、回收罐。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明溶液辅助激光加工系统的溢流装置作进一步详细地说明。
溶液辅助激光加工系统的溢流装置实施例
本溶液辅助激光加工系统的溢流装置实施例如图1所示，包括盛放溶液的工作腔，工作腔内有放置待加工工件7的工作台8，激光装置5位于工作台8上方，激光束6经聚焦透镜聚焦于工作台8上的待加工工件7表面。本例工作腔为顶面开放的圆筒，有内、外双层侧壁10、11，分为内、外两腔，水泵1经进水管4连接工作腔的内侧壁10、与内腔相通，排水管12连接工作腔的外侧壁11、与外腔相通。工作台8置于内腔。本例内腔内径D＝200mm，外腔与内腔中心线重合，工作腔内、外侧壁10、11之间的间距为20mm，外侧壁11比内侧壁10高3cm。本例进水管4和排水管12的内径d相同，d＝10mm，进水管4和排水管12的下沿与工作腔的底面的距离为20mm。本例进水管4上接有调节阀2和流量计3，所用溶液为水。
本例工作台8下方有可调节高度的举升机构9。
本例排水管12远端接入回收罐13。
溶液辅助激光加工系统的溢流装置的使用方法实施例
本例采用上述溶液辅助激光加工系统的溢流装置实施例，工件7上方溢流层如图2所示，水泵1以稳定的压力将水送入工作腔的内腔，入流速度为0.5m/s；水面上升超过内侧壁10顶端的高度，溢出内腔进入外腔，由排水管12排出。因水压和表面张力形成厚度为h的稳定均速流动的光滑溢流层，在工件7表面形成厚度为h0+h的稳定定向流动水层，用工作台8下方的可调节高度的举升机构调节工作台8高度，从而实现调节工件7上方水层厚度h0+h。在工件7表面形成稳定的定向流动水层时、激光聚焦于待加工工件7表面进行加工。加工过程中水不断地以固定压力泵入内腔再越过内侧壁10顶端溢出。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种溶液辅助激光加工系统的溢流装置，包括盛放溶液的工作腔，工作腔内有放置待加工工件(7)的工作台(8)，激光装置(5)位于工作台(8)上方，激光束(6)经聚焦透镜聚焦于工作台(8)上的待加工工件(7)表面；其特征在于：
所述工作腔有内、外侧壁(10、11)，分为内、外两腔，水泵(1)经进水管(4)连接工作腔内侧壁(10)、与内腔相通，排水管(12)连接外侧壁(11)、与外腔相通；工作台(8)置于内腔。
2.根据权利要求1所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述排水管(12)的内径等于或大于进水管(4)的内径d，且进水管(4)的下沿与工作腔的底面的距离为5～25mm，排水管(12)与工作腔的底面的距离为15～35mm。
3.根据权利要求1所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述进水管(4)的内径d＝10～20mm；所述内腔内径D＝(10～20)d。
4.根据权利要求1所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述工作腔内、外侧壁(10、11)之间的间距为10～30mm。
5.根据权利要求1所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述工作腔的外侧壁(11)比内侧壁(10)高2～5cm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述进水管(4)上接有调节阀(2)和/或流量计(3)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述溶液为水、(10～100)v％的乙醇水溶液、(10～100)v％的丙醇水溶液、甘油、(15～60)wt％的氢氧化钾水溶液、(15～60)v％硝酸水溶液、(15～60)wt％的氯化钠水溶液、(15～60)wt％二甲亚砜水溶液和(15～60)wt％硝酸钠水溶液中的任意一种。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述工作台(8)下方有可调节高度的举升机构(9)。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置，其特征在于：
所述排水管(12)远端接入回收罐(13)。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的溶液辅助激光加工系统的溢流装置的使用方法，其特征在于：
待加工工件(7)固定于工作台(8)表面，水泵(1)以稳定的压力将溶液送入工作腔的内腔，入流速度为0.4～0.8m/s；液面上升超过内侧壁(10)顶端高度，溢出内腔进入外腔，由排水管(12)排出，工件(7)表面形成稳定定向的流动液膜后，激光聚焦于待加工工件(7)表面进行加工；加工过程中溶液不断地泵入内腔、再由内侧壁(10)顶端溢出，在内腔的待加工工件(7)上方保持稳定均速流动的光滑溢流层。
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