CN108838546B - 薄壁微管内表面微结构激光加工方法 - Google Patents

薄壁微管内表面微结构激光加工方法 Download PDF

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Abstract

薄壁微管内表面微结构激光加工方法属于精密加工技术领域。现有电解加工方法工艺复杂，无法加工绝缘体工件，还污染环境。本发明其特征在于，在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构，有机玻璃微管内径为0.4～0.6mm，壁厚为0.1～0.2mm；采取激光加工方式，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm，激光功率为10～20W，激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns；在激光加工过程中，激光束光轴与有机玻璃微管轴线垂直并相交，激光束焦点位于有机玻璃微管对向内表面，有机玻璃微管在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，激光束光斑在有机玻璃微管内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为100～500mm/s，自有机玻璃微管内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构。本发明工艺简单，无污染，实现了绝缘体工件内部微结构加工。

Description

薄壁微管内表面微结构激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种薄壁微管内表面微结构激光加工方法，属于精密加工技术领域。
背景技术
如果在孔径小于1mm微管内表面制作微结构，如肋槽、凹坑等，相比于光孔微管，其表面性能会得到明显改善。例如，在微管内壁制作肋槽，由于肋槽扰动作用，能够将通过微管的气流从层流转化为湍流，破坏气流边界层，减小由边界层产生的热阻，同时，肋槽还增大了微管内表面的面积，因此，这种微管的导热效率可提高到光孔微管的三倍。
微管内表面微结构的加工涉及精密微制造技术，例如，所述肋槽微管的制造采用了一种名称为“小孔径内壁面微细凹槽的电解加工工艺及装置”的技术（CN200810060329.1）。在该技术方案中，以被加工金属微管为正极，将预制的成形工具阴极定位于微管中，在1～5MPa电解液压力下，电解液沿成形工具阴极在微管内流动，对微管内壁面进行电解加工，冲刷掉加工中产生的产物，在光孔微管内壁面得到微细肋槽。
然而，所述现有技术存在一些问题，例如，需要预制光孔和成形工具阴极，被加工微管材质需为导体，还有就是电解工艺固有的环境污染问题等。因此，该方案不仅工艺复杂，而且无法加工绝缘体工件，如有机玻璃微管，还污染环境。
发明内容
为了获得一种简单的，能够容易地在诸如有机玻璃微管这样的非导体微管内表面加工微结构的方法，本发明提出了一种薄壁微管内表面微结构激光加工方法，该方法能够快速、一次性在有机玻璃微管内表面加工所需螺旋线一类的微结构，当将加工后的有机玻璃微管作为毛细管时其毛细力得到明显增大。
本发明之薄壁微管内表面微结构激光加工方法其特征在于，在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构，有机玻璃微管内径为0.4~0.6mm，壁厚为0.1~0.2mm；采取激光加工方式，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm，激光功率为10~20W，激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns；在激光加工过程中，如图1所示，激光束1光轴与有机玻璃微管2轴线垂直并相交，激光束1焦点位于有机玻璃微管2对向内表面，有机玻璃微管2在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，激光束1光斑在有机玻璃微管2内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为100~500mm/s，自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构3，如图2所示。
本发明的技术效果在于，被加工工件有机玻璃微管的材质为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），为电绝缘材料，现有电解加工工艺不适用。但是，1064nm红外光能够透过PMMA，因此，激光束能够自有机玻璃微管外部穿透管壁照射到有机玻璃微管内部，在这一过程中有机玻璃不吸收激光能量。由于激光束的焦点位于有机玻璃微管对向内表面，而焦点的光功率密度最大，由于在足够高的光强下会产生非线性效应，所以在强度足够高的激光束焦点，有机玻璃会在极短时间内吸收激光能量而产生微爆裂，而密集的微爆裂点就是加工痕迹，在宏观上构成螺旋线微结构。通过调整激光功率，以及通过调整有机玻璃微管的平移速度v和旋转角速度ω来调整激光束光斑在有机玻璃微管内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度，激光功率越高，扫描速度越低，加工出的螺旋线微结构的深度、宽度越大，反之则相反。相比于现有技术，本发明工艺简单，无污染，实现了绝缘体工件内部微结构加工。
附图说明
图1是本发明之薄壁微管内表面微结构激光加工方法工况示意图，该图同时作为摘要附图。
图2是采用本发明之薄壁微管内表面微结构激光加工方法加工出螺旋线微结构的有机玻璃微管示意图。
具体实施方式
本发明之薄壁微管内表面微结构激光加工方法其具体方案如下所述。
在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构。有机玻璃微管内径为0.4~0.6mm；壁厚为0.1~0.2mm。采取激光加工方式，激光加工设备为激光打标机，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm；激光功率为10~20W；激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns。在激光加工过程中，如图1所示，激光束1光轴与有机玻璃微管2轴线垂直并相交；激光束1焦点位于有机玻璃微管2对向内表面，焦点光斑直径为0.025~0.1mm；有机玻璃微管2在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，旋转误差为3~5弧分，激光束1光斑在有机玻璃微管2内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为100~500mm/s；利用激光打标机的红光预览功能预示一次扫描轨迹，然后自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构3，如图2所示；自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工的次数为1~3次，每次之间的平移加工重复精度为6~10µm。
下面举例进一步说明本发明。
例一，在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构。有机玻璃微管内径为0.4mm；壁厚为0.1mm。采取激光加工方式，激光加工设备为激光打标机，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm；激光功率为10W；激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns。在激光加工过程中，如图1所示，激光束1光轴与有机玻璃微管2轴线垂直并相交；激光束1焦点位于有机玻璃微管2对向内表面，焦点光斑直径为0.025mm；有机玻璃微管2在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，旋转误差为3弧分，激光束1光斑在有机玻璃微管2内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为500mm/s；利用激光打标机的红光预览功能预示一次扫描轨迹，然后自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构3，如图2所示。
例二，在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构。有机玻璃微管内径为0.6mm；壁厚为0.2mm。采取激光加工方式，激光加工设备为激光打标机，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm；激光功率为20W；激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns。在激光加工过程中，如图1所示，激光束1光轴与有机玻璃微管2轴线垂直并相交；激光束1焦点位于有机玻璃微管2对向内表面，焦点光斑直径为0.1mm；有机玻璃微管2在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，旋转误差为5弧分，激光束1光斑在有机玻璃微管2内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为100mm/s；利用激光打标机的红光预览功能预示一次扫描轨迹，然后自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构3，如图2所示；自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工的次数为3次，每次之间的平移加工重复精度为10µm。
例三，在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构。有机玻璃微管内径为0.5mm；壁厚为0.15mm。采取激光加工方式，激光加工设备为激光打标机，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm；激光功率为15W；激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns。在激光加工过程中，如图1所示，激光束1光轴与有机玻璃微管2轴线垂直并相交；激光束1焦点位于有机玻璃微管2对向内表面，焦点光斑直径为0.06mm；有机玻璃微管2在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，旋转误差为4弧分，激光束1光斑在有机玻璃微管2内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为300mm/s；利用激光打标机的红光预览功能预示一次扫描轨迹，然后自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构3，如图2所示；自有机玻璃微管2内表面一端至另一端加工的次数为2次，每次之间的平移加工重复精度为6µm。
在例一的激光加工过程中，加工宽度均匀，虽然有机玻璃微管2壁厚只有0.1mm，但无脆性断裂，所加工出的螺旋线微结构3深度、宽度适中。将加工后的有机玻璃微管2作为毛细管垂直插入水中，水沿微管内壁的上升高度比光管微管要高，说明加工出的螺旋线微结构3使得微管的毛细力明显增大。
以下是还需要对本发明说明的内容。由于毛细管内径越小，毛细力越大，毛细上升高度也越大。因此，可以根据应用要求不同，如作为自动化控制装置中仪表信号管，选定有机玻璃微管2内径。有机玻璃微管2以不同的速度v平移，决定了加工出的螺旋线微结构3的螺距，平移速度v快，螺距小，螺旋线微结构3密，毛细力大。通过调整激光功率，以及通过调整有机玻璃微管2的平移速度v和旋转角速度ω来调整激光束1光斑在有机玻璃微管2内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度，激光功率越高，扫描速度越低，加工出的螺旋线微结构3的深度、宽度越大，根据有机玻璃微管2的使用要求确定螺旋线微结构3的深度、宽度。

Claims (3)

1.一种薄壁微管内表面微结构激光加工方法，其特征在于，在有机玻璃微管内表面加工螺旋线微结构，有机玻璃微管内径为0.4~0.6mm，壁厚为0.1~0.2mm；采取激光加工方式，光源为YAG激光器，激光波长为1064nm，激光功率为10~20W，激光脉冲频率为20kHz，脉冲宽度为100ns，激光束（1）焦点光斑直径为0.025~0.1mm；在激光加工过程中，激光束（1）光轴与有机玻璃微管（2）轴线垂直并相交，激光束（1）焦点位于有机玻璃微管（2）对向内表面，有机玻璃微管（2）在以速度v平移的过程中还以角速度ω旋转，激光束（1）光斑在有机玻璃微管（2）内表面沿螺旋线轨迹的扫描速度为100~500mm/s，自有机玻璃微管（2）内表面一端至另一端加工出螺旋线微结构（3）。
2.根据权利要求1所述的薄壁微管内表面微结构激光加工方法，其特征在于，有机玻璃微管（2）的旋转误差为3~5弧分。
3.根据权利要求1所述的薄壁微管内表面微结构激光加工方法，其特征在于，自有机玻璃微管（2）内表面一端至另一端加工的次数为1~3次，每次之间的平移加工重复精度为6~10µm。
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