CN105728954A - 一种双激光加工水浸工件的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种双激光加工水浸工件的方法和系统，本法用波长1064nm的A激光聚焦于水中工件表面，使之受热局部软化。再用波长为10640nm的B激光聚焦于工件上方的水中，A和B激光的聚焦点相距数百微米。B激光击穿水产生冲击波作用于工件表面被局部软化的区域，去除软化的材料实现切槽加工。本系统产生A和B激光的固体和CO2气体激光器的激光头位于水箱上方，A激光束的中心线为铅垂线，B激光束的中心线与A激光束相交于A激光在工件上表面的焦点，二者交角为10?30°。工作台高度可调节。工件表面水层厚度为1?3毫米。与激光熔切加工相比，本发明A激光的加热温度低于材料熔点，可降低局部过热的影响，保证加工成品质量。
Description
技术领域
本发明涉及液体辅助激光加工技术，具体为一种双激光加工水浸工件的方法和系统。
背景技术
激光加工作为微损且精密的加工手段在微尺度加工领域的应用越来越广泛。激光加工大多是利用激光的热效应，使材料局部受热达到熔点熔融，从而去除部分材料，完成切槽的刻蚀加工。
各种材料都无法避免存在一定细微的组织缺陷。在激光加热改变局部材料状态、去除材料的过程中，激光加工过程的高温使切槽周围一定的区域内不可避免地受到热影响。材料在局部高热产生的应力梯度下细微的组织缺陷很容易萌生微裂纹，特别是硅之类的硬脆材料。
激光熔切加工过程的热影响有：
1.熔切高温过程产生的热影响区内存在较大热应力，会诱使材料本身存在的微细裂纹扩展，造成材料局部碎裂；
2.使工件的切槽表面产生初始微裂纹，受力时应力将集中于微裂纹的尖端；工件在服役时，当外部载荷在其裂纹尖端产生的应力超过材料微裂纹维持现状、不扩展的裂纹扩展阻力，微裂纹将扩展导致工件断裂损坏。
可见激光加工过程的热影响埋下了工件服役时产生低应力脆断的隐患。
因此，随着对激光与材料相互作用机理认识的不断深入，目前激光加工研究的重点之一是激光加工去除材料的同时尽可能的降低激光的热影响，缩小热影响区，以避免出现微裂纹。
发明内容
本发明的目的是设计一种双激光加工水浸工件的方法，采用两种激光，一种为固体激光器产生的波长为1064nm激光，另一种为CO2气体激光器产生的波长为10640nm激光。两种激光对液体内的工件协同作用，去除预定划切路径的材料，在低于工件材料熔点的温度下完成工件的激光加工。
本发明的另一目的是基于上述本发明双激光加工水浸工件的方法、设计一种双激光加工水浸工件的系统，其包括水箱、其内的工作台，固体激光器的产生的A激光聚焦于工件表面，气体激光器产生的B激光聚焦于工件表面上方，与A激光的聚焦点有一定距离。
本发明设计的一种双激光加工水浸工件的方法，工件浸于水中，固体激光器产生的波长为1064nm的A激光直接聚焦于水中工件表面的划切路径上，在A激光的聚焦点上激光的热作用使工件受热局部软化，但聚焦点的温度低于工件材料的相变温度。1064nm的A激光在水中吸收率很小而在工件中的吸收率较高，因此A激光束的能量主要被工件吸收产生热。
CO2气体激光器产生的波长为10640nm的B激光的聚焦点处于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦点和A激光的聚焦点之间的距离为(1～4)×102μm。B激光在水中有很高的吸收率，B激光聚焦点周围的水在其作用下被击穿，击穿的水产生汽蚀空泡和等离子体冲击波，冲击波产生的局部高压作用于工件表面被局部软化的区域，A激光聚焦处的材料软化后强度大大降低，被B激光产生的冲击波的冲击力去除，实现切槽加工。
波长为10640nm的B激光能量密度为25J/cm2～80J/cm2，脉宽10ns～300ns,重复频率20kHz～60kHz；波长为1064nm的A激光能量密度为100J/cm2～300J/cm2,脉宽30ns～100ns,重复频率20kHz～60kHz。
浸于水中的工件表面上方水层厚度为1～3毫米。
基于本发明双激光加工水浸工件的方法、设计的一种双激光加工水浸工件的系统，包括水箱，位于水箱底部的工作台，工作台表面为水平面，工件固定于工作台表面，激光器的激光头位于水箱上方，激光束聚光于工件表面，本系统一台固体激光器的激光头位于水箱上方，其产生波长为1064nm的A激光，A激光束直接聚焦于水中工件表面的划切路径上；另一台CO2气体激光器的激光头也位于水箱上方，其产生波长为10640nm的B激光，B激光束的聚焦点处于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦点和A激光的聚焦点之间的距离为(1～4)×102μm。所述A激光束的中心线为铅垂线，B激光束的中心线与A激光束的中心线相交于A激光束在工件表面的聚焦点，二者的交角为10°～30°。
所述工作台为台面高度可调节的工作台。
所述水箱内充满水，工件表面上方水层厚度为1～3毫米。
所述水箱下部有入水口，入水口上安装入水阀，水箱有可密封其顶部的顶盖，顶盖上有排气口，排气口上安装排气阀。当水箱进水时，入水阀和排气阀均开启，以便于将水箱内的气体排出，使水箱充满水。当系统工作时入水阀和排气阀均关闭，以使工件表面的水层稳定。
所述水箱连接测压管，其连接水压计，以便于在激光加工过程检测水箱内的压力。测压管经测压阀连接水压计，以便选择关断或开启。
所述水箱的顶盖为透明顶盖，以便于观察激光加工情况和激光通过。
与现有技术相比，本发明一种双激光加工水浸工件的方法和系统的优点为：1、降低激光加工的局部过热的影响，本发明激光加工时工件局部被A激光加热、但其温度低于熔点，用B激光产生的冲击波来去除因受热而强度降低的局部材料，而一般激光熔融切时温度均高于熔点几十度至数百度；因而本发明激光加工时的热影响大大减少，以硅片为例，其熔点为1687K，而本发明的A激光的加热只需要达到1100K即可使硅片材料软化，B激光产生的冲击波冲击力足以将A激光局部软化处的材料切除；2、因本发明激光加工时的热影响降低，故本法激光加工与传统激光熔切的加工相比，材料的微观组织缺陷向微裂纹发展的情况大大减少，切口平整，电子显微镜下未见微裂纹；且本法激光加工试验所得的工件的热影响区内的热应力仅为熔切法的约1/5到1/3；3、因B激光产生的冲击波对工件上未加热软化的部分不足以产生破坏作用，A激光聚焦点沿划切路径移动的精度即决定了加工精度，因在A激光的加热下材料未融化，切缝周围无熔融材料，B激光产生的冲击波不会把切缝周围的材料顺带去除，切缝可进一步缩小，提高激光加工精度和工件质量。
附图说明
图1为本双激光加工水浸工件的系统实施例结构示意图。
1、入水口，2、入水阀，3、水箱，4、顶盖，5、B激光，6、A激光，7、排气口，8、排气阀，9、工件，10、工作台，11、水压计，12、测压阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明：
双激光加工水浸工件的系统实施例
本双激光加工水浸工件的系统实施例的结构如图1所示，本例水箱3下部有入水口1，入水口上安装入水阀2，水箱3有可密封其顶部的透明的玻璃顶盖4，顶盖4上有排气口7，排气口7上安装排气阀8。水箱3连接测压管，测压管经测压阀12连接水压计11。当水箱3进水时，入水阀2、排气阀和测压阀12均开启。当系统工作时入水阀2、排气阀8和测压阀12均关闭。
本例台面为水平面的工作台10位于水箱3底部，其台面高度可调节，工件9固定于工作台10台面。一台固体激光器的激光头位于水箱3上方，其产生波长为1064nm的A激光6，本例A激光6能量密度为191J/cm2,脉宽42ns,重复频率40kHz。A激光束直接聚焦于水中工件表面的划切路径上，A激光束的中心线为铅垂线；另一台CO2气体激光器的激光头也位于水箱3上方，其产生波长为10640nm的B激光5，B激光束的聚焦点处于工件9上方，即位于水中。本例B激光5能量密度为60J/cm2，脉宽100ns,重复频率40kHz；B激光束的中心线与A激光束的中心线的交角为30°，二中心线的交点即A激光束在工件9表面的聚焦点。B激光5的聚焦点和A激光6的聚焦点之间的距离为200μm。
本例水箱3内充满水，工件9表面上方水层厚度为2毫米。
双激光加工水浸工件的方法实施例
本例采用上述双激光加工水浸工件的系统实施例，工件9固定于工作台10的台面。
加工前入水阀2、排气阀8和测压阀12均开启，水从入水阀2进入水箱3，水箱3中充满水至透明的玻璃顶盖4底面，水从排气口7溢出。关断入水阀2、排气阀8和测压阀12。
调节产生波长1064nm的A激光6的固体激光器，使A激光6聚焦于工件9表面。再调节产生波长10640nm的B激光5的CO2气体激光器，先使B激光5聚焦于工件9表面A激光6的聚焦点上，保持气体激光器激光头的倾斜角度，即保持B激光束的中心线与A激光束的中心线的交角30°不变，细调C02气体激光器，使其聚焦点稍上移，同时检测切槽效果达最佳时固定。加工过程中，B激光束与A激光束的聚焦点相对位置不变。控制中心同步控制固体激光器和CO2气体激光器，使它们的焦点沿划切路径移动，A激光6软化工件9局部表面，B激光5击穿其焦点处的水产生汽蚀空泡、等离子体冲击波，冲击波效应冲击工件9表面软化区域去除材料，完成切槽加工。
本例加工硅片工件，工件表面最高温度1200K。
同样的硅片工件9采用传统的激光熔融刻蚀加工作为对比例，激光能量密度为191J/cm2,脉宽42ns，与上述实施例的A激光6相同，工件9表面最高温度达3538K。
本例加工硅片，加工工件的切槽内切口平整，200x1400μm2区域内，电子显微镜下未观测到切面上有碎裂，无熔覆层。对比例加工相同的硅片工件，同样的区域范围内，电子显微镜观测相同切槽内的切面，可看到交错裂纹12根，有5根延伸至工件表面；这些微裂纹必然会影响工件的使用寿命。此外根据局部应力计算可知对比例熔切法的热影响区最大热应力是本实施例的热影响区最大热应力的3到5倍，显然本发明的激光加工方法显著降低了激光加工工件的微裂纹扩展力。
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)
1.一种双激光加工水浸工件的方法，工件浸于水中，固体激光器产生的波长为1064nm的A激光直接聚焦于水中工件表面的划切路径上，在A激光的聚焦点上激光的热作用使工件受热局部软化，但聚焦点的温度低于工件材料的相变温度；CO2气体激光器产生的波长为10640nm的B激光的聚焦点处于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦点和A激光的聚焦点之间的距离为(1～4)×102μm；B激光聚焦点周围的水在其作用下被击穿，产生汽蚀空泡和等离子体冲击波，冲击波产生的局部高压作用于工件表面的被局部软化的区域；软化区域被B激光产生的冲击波的冲击力去除，实现切槽加工。
2.根据权利要求1所述的双激光加工水浸工件的方法，其特征在于：
所述波长为10640nm的B激光能量密度为25J/cm2～80J/cm2；所述波长为1064nm的A激光能量密度为100J/cm2～300J/cm2。
3.根据权利要求1所述的双激光加工水浸工件的方法，其特征在于：
浸于水中的工件表面上方水层厚度为1～3毫米。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双激光加工水浸工件的方法设计的一种双激光加工水浸工件的系统，包括水箱(3)，位于水箱(3)底部的工作台(10)，工作台(10)表面为水平面，工件(9)固定于工作台(10)表面，激光器的激光头位于水箱(3)上方，激光束聚光于工件(9)表面，其特征在于：
一台固体激光器的激光头位于水箱(3)上方，其产生波长为1064nm的A激光(6)，A激光束直接聚焦于水中工件(9)表面的划切路径上；另一台CO2气体激光器的激光头也位于水箱(3)上方，其产生波长为10640nm的B激光(5)，B激光束的聚焦点处于工件(9)上方，即位于水中，B激光(5)的聚焦点和A激光(6)的聚焦点之间的距离为(1～4)×102μm。
5.根据权利要求4所述的双激光加工水浸工件的系统，其特征在于：
所述A激光束的中心线为铅垂线，B激光束的中心线与A激光束的中心线相交于A激光束在工件(9)表面的聚焦点，二者的交角为10°～30°。
6.根据权利要求4所述的双激光加工水浸工件的系统，其特征在于：
所述工作台(10)为台面高度可调节的工作台。
7.根据权利要求4所述的双激光加工水浸工件的系统，其特征在于：
所述水箱(3)内充满水，工件(9)表面上方水层厚度为1～3毫米。
8.根据权利要求4所述的双激光加工水浸工件的系统，其特征在于：
所述水箱(3)下部有入水口(1)，入水口(1)上安装入水阀(2)，水箱(3)有可密封其顶部的顶盖(4)，顶盖(4)上有排气口(7)，排气口(7)上安装排气阀(8)。
9.根据权利要求4所述的双激光加工水浸工件的系统，其特征在于：
所述水箱(3)连接测压管，测压管连接水压计(11)。
10.根据权利要求4所述的双激光加工水浸工件的系统，其特征在于：
所述水箱(3)的顶盖(4)为透明顶盖。
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