CN107984086B - 一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，将工件浸于水中，使工件表面覆盖有水层，激光束透过所述水层聚焦于工件表面，以一定的速度扫描于所述工件的表面，在所述激光束的作用下，所述工件的表面产生群空泡，所述群空泡溃灭产生高压水射流，所述高压水射流作用于所述工件的表面，所述工件的表面被所述高压水射流作用的位置处材料被所述高压水射流冲蚀去除，最终形成超微孔。本发明能够通过单个激光脉冲诱导产生群空泡实现群孔加工，并且本发明为冷加工，基体材料组织和力学性能不变。

Description

一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法
技术领域
本发明涉及激光微加工领域，尤其涉及一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法。
背景技术
具有群微孔的工件在工业、食品和生物医学上具有很广泛的应用。例如在汽车制造工业中燃油过滤器的群孔；在商用飞机尾鳍的外皮上制造孔洞可以减少空气涡流，从而减小风阻；在航空航天制造业和半导体工业的空气轴承上也具有微孔结构；在医药卫生，食品等行业通过微孔膜过滤分离液体；在医学上通过高密度群微孔对细胞进行过滤。目前加工微孔结构的方法主要有电火花加工、电子束加工、激光加工等。上述方法在制造10µm以下的微孔均具有一定的难度，并不能简单快速有效经济的加工制造出群微孔。
近年来，随着激光技术和激光加工技术的发展，微孔的制造工艺也得到了发展，人们通过改变激光加工环境得到了加工质量更高的微孔，在水下激光打孔也成为了新的研究方向。现有的水下激光打孔，其本质物理过程仍旧是激光直接烧蚀材料表面，去除材料形成微孔，在此过程中，水的作用为：通过水流动，减少热效应，或者水流动去除熔渣。《现代制造工程》（2017年第七期1-5）中“水下纳秒激光微孔加工实验研究”一文对比了空气与水环境中的微孔加工质量，发现水环境可以有效减少熔渣再沉积，获得更好质量的微孔，但是由于激光烧蚀仍是主要的打孔机理，因此孔径的尺寸由光斑直径决定，孔的直径为94µm-97µm，由于光束质量和光衍射极限的存在，并不能制造孔径为10µm以下的微孔。
综上所述，目前无论在空气中，还是在水中，孔的形成机制主要还是基于激光烧蚀，孔大小主要由激光光斑尺寸决定，由于光束质量和衍射极限的限制，很难加工10μm以下的超微孔。此外，在烧蚀过程中，不可避免产生热效应，目前激光打孔技术孔周材料组织和性能可能会发生不需要的负面变化。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，能够在工件上加工超微孔。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，将工件浸于水中，使所述工件表面覆盖有水层，激光束透过所述水层聚焦于所述工件表面，以一定的速度扫描于所述工件的表面，在所述激光束的作用下，所述工件表面产生群空泡，所述群空泡溃灭产生高压水射流，所述高压水射流作用于所述工件的表面，所述工件的表面被所述高压水射流作用的位置处材料被所述高压水射流冲蚀去除，最终形成超微孔。
优选地，所述激光束的重复频率为2KHz~50KHz，脉冲宽度为5ns~200ns，输出功率为0.8W~10W，扫描速度0.05mm/s-5mm/s。
优选地，所述激光束聚焦于工件表面的光斑直径为40μm-60μm，相邻扫描线的间距为8µm-15µm。
优选地，所述工件表面覆盖的水层的厚度为0.5mm~3mm。
优选地，所述工件为超薄靶材，所述方法用于在超薄靶材上制造通孔。
优选地，所述空泡的直径范围为5µm~300µm。
优选地，所述高压水射流的冲击压强大于所述工件屈服强度区域的直径范围为0.5µm~20µm。
优选地，所述激光束的单个光斑可诱导空泡数量为5个~20个。
本发明的有益效果：
1） 本发明能够通过单个激光脉冲诱导产生群空泡实现群孔加工；
2）本发明能够通过单个激光脉冲诱导产生群空泡实现群孔加工；
3）本发明能够加工出小于1μm的超微孔；
4）本发明所述方法简单，操作易行。
附图说明
图1为本发明激光诱导空泡方法的示意图。
图2为本发明激光诱导空泡溃灭产生水射流冲蚀工件的示意图。
图3为脉冲宽度为5ns的激光束作用于304不锈钢表面加工所得超微群孔。
图4为脉冲宽度为7ns激光束作用于304不锈钢表面加工所得超微群孔。
图5为脉冲宽度为20ns激光束作用于304不锈钢箔材上加工所得超微群通孔。
图6为脉冲宽度为200ns激光束作用于304不锈钢表面加工所得超微群孔。
其中：
1. 工件；2. 水层；3.激光束；4. 空泡；5.高压水射流。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法具体为：将工件1浸于水中，使工件1表面覆盖有水层2，水层2的厚度为0.5mm~3mm。激光束3透过所述水层2聚焦于所述工件1表面，并扫描于所述工件1的表面，激光束3的重复频率为2KHz~50KHz，脉冲宽度为5ns~200ns，输出功率为0.8W~10W，扫描速度0.05mm/s-5mm/s，激光束3聚焦于工件1表面的光斑直径为40μm-60μm，相邻扫描线的间距为8µm-15µm。在所述激光束3的作用下，工件1的表面产生群空泡，激光束3的单个光斑可诱导空泡4的数量为5个~20个，空泡4的直径范围为5µm~300µm。群空泡溃灭产生高压水射流5，高压水射流5作用于所述工件1的表面，高压水射流5的冲击压强大于工件1屈服强度区域的直径范围为0.5µm~20µm。工件1的表面被所述高压水射流5作用的位置处材料被所述高压水射流5冲蚀去除，最终形成超微孔。
实施例1
激光的参数为：激光光源为MOPA光纤激光器，输出激光波长为1064nm，选择脉冲宽度为5ns，功率0.8W，重复频率2KHz。
将厚度为1mm的304不锈钢片置于水槽中，水层2的厚度为1.2mm，打开激光器，按照上述参数设定，激光束3透过水层2，照射在304不锈钢工件表面，以0.05mm/s的速度扫描304不锈钢片的表面，304不锈钢片的表面光斑直径为40µm，扫描线行间距8µm。
在激光光束3的作用下，304不锈钢表面产生群空泡，群空泡溃灭产生高压水射流5，高压水射流5作用于304不锈钢表面，作用处的材料被冲蚀去除，形成超微孔，如图3所示，微孔直径小于5µm。图3中a为带有群孔的表面500倍形貌图，图3中b为带有群孔的表面4000倍形貌图。
实施例2
激光的参数选择：激光光源为MOPA光纤激光器输入1064nm，脉冲宽度为7ns，功率7.2W，重复频率30KHz。
将厚度为1mm的304不锈钢片置于水槽中，水层2的厚度为0.5mm。打开激光器，按照上述参数设定，激光束3透过水层2，照射于304不锈钢工件表面，以3mm/s的速度扫描304不锈钢片工件表面，304不锈钢片工件表面激光光斑直径为55µm，扫描线行间距为12µm。在激光光束3的作用下， 304不锈钢的表面产生群空泡，群空泡溃灭产生高压水射流5，高压水射流5作用于304不锈钢表面，作用处的材料被冲蚀去除，形成超微孔，如图4所示，微孔直径小于4µm。图4中a为带有群孔的表面500倍形貌图，图4中b为带有群孔的表面1200倍形貌图。
实施例3
激光参数选择：激光光源为MOPA光纤激光器输入1064nm，脉冲宽度为20ns，功率2.63W，重复频率10KHz。
将厚度为0.01mm的304不锈钢箔材置于水槽中，水层2的厚度为2mm。打开激光器，按照上述参数设定，激光束3透过水层2，照射于304不锈钢箔材表面，以0.5mm/s的速度扫描不锈钢箔材表面，作用于不锈钢箔材的表面光斑直径为50µm，扫描线行间距为9µm。在激光光束3的作用下，在箔材表面产生群空泡4，群空泡4溃灭产生高压水射流5，高压水射流5作用于箔材表面，作用处的材料被冲蚀去除，形成超微群通孔，如图5所示，超微通孔直径小于4µm。图5中a为通孔正面形貌图，图5中b为通孔背面形貌图。
实施例4
激光的参数选择：激光光源为MOPA光纤激光器输入1064nm，脉冲宽度为200ns，功率2.89W，重复频率10KHz。
将厚度为1mm的304不锈钢片置于水槽中，水层2的厚度为2.5mm。打开激光器，按照上述参数设定，激光束3透过水层2，照射于304不锈钢工件表面，以0.5mm/s的速度扫描304不锈钢片工件表面，304不锈钢片工件表面激光光斑直径为50µm，扫描线行间距为9µm。在激光光束3的作用下， 304不锈钢的表面产生群空泡4，群空泡4溃灭产生高压水射流5，高压水射流5作用于304不锈钢表面，作用处的材料被冲蚀去除，形成超微孔，如图6所示，微孔直径小于15µm。图6中a为带有群孔的表面500倍形貌图，图6中b为带有群孔的表面1000倍形貌图。
本发明改变激光束3的功率可控制加工出的孔的深度，激光功率越大，则孔深越大；反之，则超微孔深度小。改变激光脉冲的宽度可控制加工出的孔的直径，激光脉冲宽度大，则超微孔直径大；反之，则超微孔直径变小，最小孔径可达1μm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，其特征在于，将工件（1）浸于水中，使所述工件（1）表面覆盖有水层（2），激光束（3）透过所述水层（2）聚焦于所述工件（1）表面，并扫描于所述工件（1）的表面，在所述激光束（3）的作用下，所述工件（1）的表面产生群空泡，所述群空泡溃灭产生高压水射流（5），所述高压水射流（5）作用于所述工件（1）的表面，所述工件（1）的表面被所述高压水射流（5）作用的位置处材料被所述高压水射流（5）冲蚀去除，最终形成超微孔；
其中，所述激光束（3）的重复频率为2KHz~50KHz，脉冲宽度为5ns~20ns，输出功率为0.8W~10W，扫描速度0.05mm/s-5mm/s；所述激光束（3）聚焦于工件（1）表面的光斑直径为40μm-60μm，相邻扫描线的间距为8µm-15µm；所述激光束（3）的单个光斑可诱导空泡（4）的数量为5个~20个。
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，其特征在于，所述工件（1）表面覆盖的水层（2）的厚度为0.5mm~3mm。
3.根据权利要求1所述的基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，其特征在于，所述工件（1）为超薄靶材，所述方法用于在所述超薄靶材上制造通孔。
4.根据权利要求1所述的基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，其特征在于，所述空泡（4）的直径范围为5µm~300µm。
5.根据权利要求1所述的基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，其特征在于，所述高压水射流（5）的冲击压强大于所述工件（1）屈服强度区域的直径范围为0.5µm~20µm。
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