CN106541213A - 一种水射流与激光耦合木材切割方法 - Google Patents

一种水射流与激光耦合木材切割方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106541213A
CN106541213A CN201610243066.2A CN201610243066A CN106541213A CN 106541213 A CN106541213 A CN 106541213A CN 201610243066 A CN201610243066 A CN 201610243066A CN 106541213 A CN106541213 A CN 106541213A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
water jet
timber
shower nozzle
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610243066.2A
Other languages
English (en)
Inventor
杨春梅
马岩
刘千军
郭明慧
曹方迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeast Forestry University
Original Assignee
Northeast Forestry University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeast Forestry University filed Critical Northeast Forestry University
Priority to CN201610243066.2A priority Critical patent/CN106541213A/zh
Publication of CN106541213A publication Critical patent/CN106541213A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/402—Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/36—Wood or similar materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明提供了一种水射流与激光耦合木材切割方法，具体地，使水射流与激光耦合方法包括以下步骤：(i)提供一种水射流与激光，其中所述激光束与所述水射流水柱在加工点基本吻合；(ii)将(i)中所述激光通过透镜聚焦到所述加工的木材位置；(iii)将(i)中所述水射流通过可调喷头进行调节，调节至(ii)中所述激光聚焦的位置与该水射流位置吻合。本发明结构简单，运用激光切割木材使切口整齐且精度可达微米级；同时所述可调喷嘴喷头喷出水柱，对切削区的木材进行断氧和降温处理，可使木材不会被烧毁。

Description

一种水射流与激光耦合木材切割方法
技术领域
本发明涉及木材切削领域，主要涉及一种能够利用激光实现木材微米级加工的方法且保证木材激光切削过程的瞬间不燃烧的水射流与激光耦合木材切割方法及装置。
背景技术
现阶段，金属和非金属都能加工到纳米级。唯独木材很难实现微米级物理加工。利用激光加工微米级木材，激光能聚焦成焦点几千度导致木材瞬间气化，但高温导致易燃的木材燃烧，出现表面烧结。水导激光木材微米加工将突破木材激光加工表面烧结的瓶颈，只要断氧和降温就能保证木材激光切削过程的瞬间不燃烧，水导就是实现非切削区断氧和降温的必要条件。
国内外已经出现纳秒脉冲水导激光在切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等领域的惊人进步。在半导体工业，水导激光微米加工已经达到纳米级工业化，温度控制精度可以在1％的精度内。2003年，美国的Natalia Dushkina等人分别采用了水导激光和金刚石刀切割的方法进行了集成电路芯片的切割对比试验，对切割出的芯片进行了断裂强度测试。测试结果表明水导激光切割晶片的断裂强度要好于金刚石刀切割。国内针对水导激光微细加工的研究文献很少，2004年南京理工大学的陈笑博士对激光与水作用时产生的冲击波现象进行了深入的研究，并且对激光与水作用的空化阈值进行了研究。同年，该校的徐荣青博士深入地研究了激光光学聚焦系统，提出了新型的旋转轴棱镜光学聚焦系统。2005年北京工业大学的陈虹博士研究了光束光斑的质量检测方法和光束质量对激光聚焦特性的影响。虽然目前国内实现了木制品雕刻的自动化。纳秒水导激光加工木材烧结深度决定该方法能不能应用在木材上，水导激光微米精度效果的好坏直接决定着木材加工的质量。如果解决了激光加工的烧结问题，将激光加工技术拓展到木材的微米级别加工，再应用到3D木质分层打印、木材液化、生物膜和高档造纸的纳秒激光加工中，木木材微米刨切加工加工领域必将有更广阔的应用。
因此，本领域迫切需要开发一种能够断氧和降温就能保证木材激光切削过程的瞬间不燃烧的方法及装置。
发明内容
本发明提供了一种水射流与激光耦合的木材切割方法，本发明操作简单，且不会使木材烧结。
本发明的第一方面，提供了一种水射流与激光耦合的木材切割方法，包括步骤：
(i)提供一种水射流与激光，其中所述激光束与所述水射流水柱在加工点基本吻合；
(ii)将(i)中所述激光通过透镜聚焦到所述加工的木材位置；
(iii)将(i)中所述水射流通过可调喷头进行调节，调节至(ii)中所述激光聚焦的位置与该水射流位置吻合；其中，所述的激光变频发生器用于产生切割木材所需的激光，且依次经过所述反光镜进行光的反射，所述透镜元件聚焦，从而到达工件位置对木材进行切割，所述可调喷嘴喷头喷出水柱与所述激光同时到达木材位置。
其中，激光变频发生器1用于产生切割木材所需的激光，且依次经过反光镜2进行光的反射，透镜元件4聚焦，从而到达工件位置对木材进行切割；
支撑元件7用于将激光变频发生器1与反光镜2、反光镜3及透镜4连接并固定，从而形成产生激光的水平光路；
支撑元件7用于将喷头5固定于试验台从而形成保证木材表面不烧结的装置；
激光变频发生器1被设置于喷头5的后方，加工过程中喷头5聚焦的饱和水在100℃以后沸腾，气体体积迅速膨胀导致细胞管爆裂，激光变频发生器1应控制细胞爆裂胞壁的热平衡温度在100-180℃；
透镜4焦距可调即透镜可任意更换；
喷头5包括可调360°喷嘴6及其提供的水柱；
喷头5可调节上下左右的距离，喷嘴6还包括用于一任意角度调整所述喷头喷水方向的万向调整元件；
多维调整件包括横向水平调整件、纵向水平调整件和垂直调整件；
可用于本发明的工件没有特别限制，可以为任何需要加工的木材种类；通常为了使效果更明显所述工件优选为常见的落叶松和水曲柳；
本发明具有的优点和积极效果是：由于采用所述技术方案，设备运用激光切割木材，这样的切口整齐且精度可达微米级；运用所述可调喷嘴喷头喷出水柱，对切削区的木材进行断氧和降温处理，可使木材不会被烧毁。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中： 1、激光变频发生器 2、反光镜(a) 3、反光镜(b)
4、透镜 5、喷头 6、喷嘴
7、支撑元件 8、试验台 9、光路调整装置
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示，水射流与激光耦合木材切割方法装置,由激光变频发生器1、反光镜2、反光镜3、透镜4、可调节喷嘴喷头5、喷嘴6、支撑元件7、试验台8、光路调整装置9等组成，试验台8为长方形台体，台面的上表面位置均布有调节位置的小孔，激光变频发生器1、反光镜2、反光镜3、透镜4、可调节喷嘴喷头5、喷嘴6均用支撑元件7与试验台8相连接；所用支撑元件7也包括多维调整件；试验台8前侧位置置有夹具，夹具下方用滑块与导轨连接，可沿X方向和Y方向移动，导轨表面有废水回收孔；试验台8下方的水箱、增压泵及进给系统与试验台上端相连；
本发明的工作过程：
调试安装：如图1所示，所述试验台8工作前需调整光路位置，先将所述激光变频发生器1用所述支撑元件置于所述试验台8所需位置，调整好高度；将所述光路调整装置9置于试验台后方部位，打开所述光路调整装置9的开关，调整所述光路调整装置9X和Y方向的位置，使光路正好通过所述激光变频发生器1的前后两个发射孔；调整所述激光变频发生器1前后两个所述反光镜2、反光镜3，先调整所述反光镜2的位置使所述光路可以沿所述反光镜反射回所述激光变频发生器1，调整所述反光镜3的位置使所述光路同样可返回所述激光变频发生器1；再调节所述透镜4，使所述透镜刚好可以聚焦该光路，且调整所述透镜位置使所述光路距离工件位置大小恰好等于所述透镜焦距与所述透镜距离所述反光镜1的距离大小之和，调整完毕所述激光变频发生器1、所述反光镜2、反光镜3、所述光路调整装置9以及所述透镜4的中心高度应在同一水平线上。
调节所述可调节喷嘴喷头5，使所述喷嘴喷头6的位置位于所述激光变频发生器1之前且位于所述反光镜2之后，以便实现所述光路与所述喷头喷出的水柱进行耦合；调整所述可调节喷嘴喷头5的高度位置，调节所述喷头5的喷嘴6，使12个喷嘴的角度可以聚焦于所述光路经过所述透镜聚焦的位置即所要加工工件位置，并调节增压泵的水压。
工作过程：打开所述激光变频发生器1，激光从发射器的前后孔穿出，打到所述反光镜2、反光镜3上，所述反光镜2和反光镜3将所述光路反射到两个反光镜中间，加强所述光路，所述光路经过透镜4聚焦，打在所述工件进行加工。打开所述增压泵阀门，所述水箱中的水经过所述增压泵增压，经过所述水箱中软管进入所述喷头，打开所述喷头开关，所述喷头喷出水柱与所述聚焦后的激光重合，以保证木材表面不烧结。
以上对本发明的一个实施实例进行详细说明，但所述内容仅为本发明的一个实例，本发明在不脱离其精神之下均为本发明的实施范围。本发明的权利范围将由所附的权利要求作明确界定。

Claims (8)

1.一种水射流与激光耦合木材切割方法，其特征在于，包括步骤；
(i)提供一种水射流与激光，其中所述激光束与所述水射流水柱在加工点基本吻合；
(ii)将(i)中所述激光通过透镜聚焦到所述加工的木材位置；
(iii)将(i)中所述水射流通过可调喷头进行调节，调节至(ii)中所述激光聚焦的位置与该水射流位置吻合；其中，所述的激光变频发生器用于产生切割木材所需的激光，且依次经过所述反光镜进行光的反射，所述透镜元件聚焦，从而到达工件位置对木材进行切割，所述可调喷嘴喷头喷出水柱与所述激光同时到达木材位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(iii)中调整喷头上下左右的距离，由所述喷头喷水方向的万向调整元件完成。
3.一种水射流与激光耦合木材切割方法及装置，其特征在于，所述装置包括以下元件：
(a)用于实施权利要求1所述方法的步骤(i)的元件；
(b)用于实施权利要求1所述方法的步骤(ii)的元件；
(c)用于实施权利要求1所述方法的步骤(iii)的元件；和任选的。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述用于实施步骤(i)中的元件包括激光变频发生器与反光镜1、反光镜2元件；
所述用于实施步骤(ii)中的元件包括透镜元件；
所述用于实施步骤(iii)中的元件包括喷头、喷嘴、支撑元件。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的喷头包括所述可调360°喷嘴及其提供的水柱。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支撑元件用于将所述喷头固定于试验台从而形成保证木材表面不烧结的装置。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的喷头喷出的水柱同时到达所述激光变频发生器发射的激光位置而进行光路的耦合。
8.一种水射流与激光耦合调整装置套件，其特征在于，所述的套件包括如权利要求3所述的水射流与激光耦合调整装置以及说明书。
CN201610243066.2A 2016-04-19 2016-04-19 一种水射流与激光耦合木材切割方法 Pending CN106541213A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610243066.2A CN106541213A (zh) 2016-04-19 2016-04-19 一种水射流与激光耦合木材切割方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610243066.2A CN106541213A (zh) 2016-04-19 2016-04-19 一种水射流与激光耦合木材切割方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106541213A true CN106541213A (zh) 2017-03-29

Family

ID=58364884

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610243066.2A Pending CN106541213A (zh) 2016-04-19 2016-04-19 一种水射流与激光耦合木材切割方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106541213A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201900014934A1 (it) * 2019-08-22 2021-02-22 Alchina T L A Procedimento per il taglio di materiali non metallici mediante macchina laser
CN113236604A (zh) * 2021-05-27 2021-08-10 徐广� 一种木扇叶及其生产工艺
CN113290386A (zh) * 2021-05-10 2021-08-24 长春理工大学 稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101157234A (zh) * 2007-10-25 2008-04-09 陈伟良 一种利用激光切割加工直线木材的方法
CN102528280A (zh) * 2012-01-16 2012-07-04 山东大学 激光-水射流复合微细加工工艺及装置
CN203197469U (zh) * 2013-04-23 2013-09-18 孝感市森茂激光数控设备有限公司 一种上、下对切双激光头激光切割机

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101157234A (zh) * 2007-10-25 2008-04-09 陈伟良 一种利用激光切割加工直线木材的方法
CN102528280A (zh) * 2012-01-16 2012-07-04 山东大学 激光-水射流复合微细加工工艺及装置
CN203197469U (zh) * 2013-04-23 2013-09-18 孝感市森茂激光数控设备有限公司 一种上、下对切双激光头激光切割机

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201900014934A1 (it) * 2019-08-22 2021-02-22 Alchina T L A Procedimento per il taglio di materiali non metallici mediante macchina laser
CN113290386A (zh) * 2021-05-10 2021-08-24 长春理工大学 稳流区激光/超声复合低损伤复杂微结构加工装置及方法
CN113236604A (zh) * 2021-05-27 2021-08-10 徐广� 一种木扇叶及其生产工艺

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108031986A (zh) 基于超短脉冲水导激光加工金刚石的装置及其方法
CN106541213A (zh) 一种水射流与激光耦合木材切割方法
CN101811227A (zh) 一种激光打孔方法和装置
CN103358027A (zh) 水射流和气流复合辅助激光加工的方法和系统
CN110125532B (zh) 一种水导引激光加工工件的方法、系统及其设备
CN103358028A (zh) 水射流激光刻划脆性材料超薄片的方法及系统
CN102500928A (zh) 一种微水柱导引激光微细加工装置
CN102756214A (zh) 一种激光穿孔加工方法
DE102012003202A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Schneiden oder mit Schneiden versehenen Werkstücken, mit einem Nasslaser
CN103831540A (zh) 一种激光复合打孔陶瓷的方法
CN107030403B (zh) 纯金属或合金产品微孔加工系统
CN104526892A (zh) 晶圆切割装置
CN103071933A (zh) 激光复合切割陶瓷的装置及方法
CN114535788B (zh) 一种静态聚焦的玻璃纳秒激光切孔系统及切孔方法
CN102229466A (zh) 一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置
CN108032222B (zh) 一种砂轮双激光修整装置及修整方法
CN203390389U (zh) 水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统
CN110125540A (zh) 一种水导引激光加工工件的方法、系统及其设备
CN114043073A (zh) 一种基于声学信号实时监测的水助激光加工系统及方法
CN105195903A (zh) 一种用于涡轮叶片打孔的激光微水刀加工装置
CN109048088B (zh) 一种长脉冲激光与等离子体射流复合加工微孔的方法及装置
CN111940895A (zh) 基于流动水层的激光诱导液体等离子体微加工的方法及装置
CN201373947Y (zh) 紫外激光光束整形装置
CN206105160U (zh) 一种可以切割木材的水导激光耦合装置
JP4123390B2 (ja) ハイブリッド加工装置およびハイブリッド加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170329