CN108326554A - 一种激光水射流复合加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种激光水射流复合加工系统，射流喷嘴出射水射流，水射流落点在工件表面的加工路径上。激光器产生的激光束在处于保护壳体内的导引光纤中传播，导引光纤末端连接金刚石导引头。金刚石导引头的导光端与工件表面的距离小于100微米，激光在金刚石导引头内经多次全反射汇聚为直线光束输出，直接作用于水中工件表面的加工路径上。本发明激光束的光路处于保护壳体内，保证光束传播过程中不受射流溅射水雾的干扰，激光束和高压射流协同作用，准确高效地去除预定加工路径上的材料，激光光路稳定，激光光斑半径缩小，划切线宽缩小，提高加工精度和质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光水射流复合加工技术，具体为金刚石导引的一种激光水射流复合加工系统。
背景技术
激光水射流复合加工技术采用激光照射工件，工件局部受热温度升高，局部高温的材料软化、力学强度下降，激光照射的同时采用一束高压液体射流冲击工件上的激光受热区，射流去除力学强度降低的材料，完成对工件的加工。
由于激光水射流复合加工技术在加工过程中，激光的照射并未使工件的材料发生熔融、汽化的相变，所以该加工技术具有热损伤小的优点。此外，高速射流冲击加工部位的过程中，强烈的对流冷却作用使加工区域在短时间内迅速冷却，进一步降低了工件的热损伤。
传统激光加工工艺是使工件加工部位产生相变(熔融、汽化)以去除局部的材料。与之相比，激光高压水射流复合加工方法除了热损伤小的优势外，还有材料去除率高的特点，因为去除的材料不需要相变，就降低了材料去除所需的温度阈值。
虽然激光高压水射流复合加工方法有上述突出优点，但是现有的激光水射流复合加工装置有明显的缺陷。该装置运行过程中，由于高速的水流冲击工件，射流强力撞击固体工件表面时，流体四向飞溅，液滴反弹破碎，破碎的液滴溅射成水雾，液滴和水雾干扰激光光路，水雾、液滴不仅吸收激光能量，还使激光束产生偏折、散射，影响激光束的加工质量。
已有一些设计采用侧向吹气方法以抑制水射流的溅射。但由于高压水射流高速撞击工件的溅射作用剧烈，吹气方法需要大幅提高吹气压力，才能抵消溅射的影响。高压吹气势必影响暴露于空气中的射流水束的稳定性。
也有的设计在激光光路安装防溅射装置，但加装的防溅射装置决不能阻隔激光出射部位至工件表面的光路，因此防溅射装置无法隔绝高压射流强烈溅射对激光光路的干扰。
总之现有的激光高压水射流复合加工系统运行时的射流溅射影响激光束的问题正在阻碍此项激光高压水射流复合加工技术应用。
发明内容
本发明的目的是设计一种激光水射流复合加工系统，激光器产生的激光束经处于保护壳体内的导引光纤和金刚石导引头到达工件表面，由于激光束的光路处于壳体内，保证光束传播过程中不受射流溅射水雾的干扰，激光束和高压射流协同作用，准确高效地去除预定加工路径上的材料，高质量地完成工件的加工。
本发明设计的一种激光水射流复合加工系统包括与水箱连接的射流喷嘴、激光器和工作台，工作台台面为水平面，工件固定于工作台台面。射流喷嘴出射水射流，水射流落点在工件表面的加工路径上。激光器产生的激光束中心线垂直于工作台台面。激光器产生的激光束在导引光纤中传播，所述导引光纤位于保护壳体内，导引光纤末端连接金刚石导引头，金刚石导引头的导光端与工件表面的距离小于100微米，激光在金刚石导引头内经多次全反射汇聚为直线光束输出，直接作用于水中工件表面的加工路径上。
激光器产生的激光的波长为200～900nm(为了输出较小的光斑直径选用较短波长激光)，激光能量密度为20J/cm2～50J/cm2,脉宽40ns～200ns,重复频率10kHz～60kHz。
所述金刚石导引头包括导引头固定体和金刚石导光尖端，导引头固定体中心有竖直的光通道，光束经此通道到达金刚石导光端，金刚石导光端上部为直径15～60微米的圆柱体，下部为直径逐渐减小的圆锥体，圆柱体与圆锥体中心线重合，二者的高度比为1:(1.5～3)。圆锥体底端为输出尖端，该输出尖端为曲率半径5～10微米的平滑曲面。激光束进入金刚石导光端后，未正对其输出尖端的激光将被其圆锥面全反射，最终汇聚为直线激光束于输出尖端输出。
所述导引光纤末端经激光整形器连接金刚石导引头。激光整形器对激光器发送的激光束整形，使能量密度达到预定值。
所述水射流的中心线与激光束中心线共面，二者的夹角θ为10°～45°。水射流的中心线和工件表面的交点距离所述激光束于工件表面落点的距离为0～4mm。
所述射流喷嘴出口与工件表面距离为为4mm～40mm。
所述射流喷嘴出口直径0.35～1.2毫米,射流出速100m/s～300m/s
所述射流喷嘴安装于固定支架上的调节结构上，所述调节结构为可调节高度、水平位移和俯仰角度的调节结构。
所述工作台为台面三维可调节的工作台，Z方向的高度调节以控制工件表面与空化射流喷嘴的垂直距离。X和Y方向则控制工作台在水平面上的移动跟随加工路径。
与现有技术相比，本发明一种激光水射流复合加工系统的优点为：1、激光器产生的激光在保护壳体内的导引光纤和金刚石导引头内传输，即不经过空气中的光路到达工件表面，故射流溅射生成的水雾无法干扰壳体内的激光光路；2、激光在导引光纤末端的金刚石导引头的导光端内多次全反射汇聚为直线激光束，光斑半径进一步缩小，故划切线宽可进一步缩小，提高加工精度；3、由于激光光路稳定，不受水射流溅射雾化的影响，激光束能量不再损失于水雾，故可一定程度降低所需激光能量；4、无需担心水射流溅射对激光的影响，可进一步提高水射流出口流速，增大射流冲击力，进一步改进加工效果。
附图说明
图1为本激光水射流复合加工系统实施例结构图；
图2为图1中射流喷嘴水平位移调节结构图；
图3为图1中射流喷嘴高度调节图；
图4为图1中金刚石导引头结构和与激光束之间的角度、位置关系示意图；
图5为图4中金刚石导引头的导光尖端结构示意图。
图内标号为：
1.工件，2.射流喷嘴，3.转动盘，4.水平位移调节结构，41.水平丝杠，42.水平定位杆，43.水平移动板，5.高度调节结构，51.固定支架，52.竖直丝杠，53.定位杆，54.竖直移动板，55、连接板，6.加持壳体，7.光纤保护壳体，8.导引光纤，9.激光整形器，91.光束整形器件，10.金刚石导引头，101.导光尖端，102.金刚石导引头固定体，103.光通道。
具体实施方式
本激光水射流复合加工系统实施例的结构如图1所示，包括与水箱连接的射流喷嘴2、激光器和工作台，工作台台面为水平面，工件1固定于工作台台面。射流喷嘴2出射水射流，水射流落点在工件表面的加工路径上。激光器产生的激光束中心线垂直于工作台台面。
本例激光器产生的激光束在导引光纤8中传播，本例导引光纤8位于保护壳体7内，保护壳体7外还有加持壳体6，加持壳体6固定保护壳体7并与机架固定连接。导引光纤8末端经激光整形器9连接金刚石导引头10。
如图4和5所示，本例金刚石导引头10包括导引头固定体102和金刚石导光尖端101，陶瓷的导引头固定体102中心有竖直的光通道，光束经此通道到达金刚石导光尖端101，金刚石导光尖端101上部为直径40微米的圆柱体，下部为直径逐渐减小的圆锥体，本例圆柱体与圆锥体的中心线为同一直线，二者的高度比1:2，圆锥体底端为输出尖端，该输出尖端为曲率半径8微米的平滑曲面。
导引光纤引导激光束进入激光束整形器9，经其对光束整形，整形后的光束进入金刚石导引头10，激光束穿过导引头固定体102的光通道进入金刚石导光尖端101，在金刚石导光尖端101内未正对其输出尖端的激光将被其圆锥面全反射，最终汇聚为直线激光束于输出尖端输出。
本例金刚石导光尖端101的输出尖端与工件1表面的距离为100微米。
本例射流喷嘴2的射流管固定于转动盘3，转动盘3转动时即可调节射流喷嘴2的俯仰角度。转动盘3的轴可转动地安装于水平位移调节结构4。水平位移调节结构4如图2所示，竖直的水平移动板43下端可转动地安装转动盘3的轴；水平移动板43上端的丝孔套在水平丝杠41上，水平定位杆12则穿过水平移动板43的通孔。水平丝杠41底端旋入高度调节结构5的竖直移动板54，水平定位杆12的底端也固定于竖直移动板54上。当水平丝杆41转动，水平移动板43与安装于其下端的转动盘3一起水平移动，水平定位杆12在水平移动板43的通孔内滑动，使水平移动板43移动平稳。高度调节结构5如图3所示，水平丝杠41和水平定位杆12可转动地安装于竖直移动板54的上、下，竖直移动板54另一侧固定连接水平的连接板55，连接板55的丝孔套在竖直丝杠52上，定位杆53也穿过连接板55的通孔。竖直丝杠52底端旋入固定支架41，定位杆53的底端也固定于固定支架41。固定支架41与机架固定连接。当竖直丝杠52转动，连接板55带动竖直移动板54上、下移动，定位杆53在连接板55的通孔内滑动，使连接板55的移动平稳。
调节后如图4所示，本例水射流的中心线与激光束中心线共面，二者夹角θ为30°。水射流的中心线和工件表面的交点距离所述激光束于工件表面落点的距离W＝2mm。本例射流喷嘴2出口与工件表面距离D＝5mm。
本例射流喷嘴出口直径0.8毫米,射流出速200m/s.
本例工作台为台面三维可调节的工作台。
为了输出较小的光斑直径，本例选用的激光器产生的激光波长为532nm，激光能量密度为20J/cm2～50J/cm2,脉宽40ns～200ns,重复频率10kHz～
60kHz。
本激光水射流复合加工系统实施使用时先把工件1固定于工作台的台面。激光器工作，激光束由导引光纤8传播，接入激光束整形器9，整形后的光束进入金刚石导引头10，在其中聚焦后作用于工件1上表面。然后，
旋动竖直丝杠52，使射流喷嘴2的高度达到合适位置；再旋动水平丝杠41，
使射流喷嘴2水平滑动至合适位置；调节转动盘3至合适角度；从射流喷嘴2出射的射流作用于工件1上表面。
本实施例用于划切单晶硅，水射流冲击单晶硅工件表面，因溅射的水雾对激光不产生干扰，整形后的光束光斑直径经金刚石导引头汇聚后小于15um,加工线宽仅为18～20um，无热损伤区，且切槽平滑。
对比例用传统激光束聚焦于相同的单晶硅工件表面，采用相同的水射流参数(喷嘴直径、出口流速、水射流冲击角θ)，因射流冲击工件产生的水雾遮蔽激光光路，在工件表面激光光斑直径达30um，加工线宽为40～50um，因受水雾影响激光束产生波动，切槽出现凹坑、凸起等缺陷。
由本实施例和对比例明显可见，本发明的激光水射流复合加工系统激光束在导引光纤中传播，直接耦合进入金刚石导引头，激光不会受到射流冲击工件产生的水雾影响，激光加工质量显著改进。
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)
1.一种激光水射流复合加工系统，包括与水箱连接的射流喷嘴(2)、激光器和工作台，工作台台面为水平面，工件(1)固定于工作台台面；射流喷嘴(2)出射水射流，水射流落点在工件(1)表面的加工路径上；激光器产生的激光束中心线垂直于工作台台面；其特征在于：
所述激光器产生的激光束在导引光纤(8)中传播，所述导引光纤(8)位于保护壳体(7)内，导引光纤(8)末端连接金刚石导引头(10)，金刚石导引头(10)的输出尖端与工件(1)表面的距离小于100um。
2.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述激光器产生的激光的波长为200nm～1064nm，激光能量密度为20J/cm2～50J/cm2,脉宽40ns～200ns,重复频率10kHz～60kHz。
3.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述金刚石导引头(10)包括导引头固定体(102)和金刚石导光端(101)，导引头固定体(102)中心有竖直的光通道(103)，光束经此光通道(103)到达金刚石导光端(101)，金刚石导光端(101)上部为直径15～60微米的圆柱体，下部为直径逐渐减小的圆锥体，圆柱体与圆锥体中心线重合，二者的高度比为1:(1.5～3)，圆锥体底端为输出尖端，该输出尖端为曲率半径5～10微米的平滑曲面。
4.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述导引光纤(8)末端经激光整形器(9)连接金刚石导引头(10)。
5.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述水射流的中心线与激光束中心线共面，二者的夹角为10°～45°。
6.根据权利要求5所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述水射流的中心线和工件(1)表面的交点距离所述激光束于工件(1)表面落点的中心0～4mm。
7.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述射流喷嘴(2)出口与工件(1)表面距离为4mm～40mm。
8.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述射流喷嘴(2)出口直径0.35～1.2毫米,射流出速100m/s～300m/s。
9.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述射流喷嘴(2)安装于固定支架(51)上的调节结构上，所述调节结构为可调节高度、水平位移和俯仰角度的调节结构。
10.根据权利要求1所述的激光水射流复合加工系统，其特征在于：
所述工作台为台面三维可调节的工作台。
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