CN112475613B - 一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水气同轴辅助振镜扫描激光加工装置。该装置通过多个水路和气路同轴的掠入射喷射口，将少量水高速喷射到待加工材料表面。通过调节气压和水流量、增加喷射口数量、或使喷射口左右摆动，在待加工材料表面形成大面积的薄层水膜。激光经由场镜聚焦在水膜覆盖的待加工材料表面上，通过振镜高速扫描进行烧蚀加工。该方法能够有效消除或抑制激光烧蚀中热效应产生的不利影响，减少碎屑堆积，提高激光烧蚀加工的质量和效率。

Description

一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工,特别是一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置。

背景技术

激光烧蚀加工是通过在极短的时间内将激光能量集中在微小的区域，从而使固体升华、蒸发的加工方法。例如切割、划线、打标、刻槽、图案化、钻孔，都是利用脉冲激光在聚光点处的高功率密度输出，使得材料瞬间气化或融化，从而实现材料的去除。

在激光烧蚀过程中通常会形成大量碎屑，这些碎屑是由于激光烧蚀产生的高温蒸气过度冷却、凝固形成的，粘附性较强，难以清除。碎屑通常散布在烧蚀图样表面附近和刻槽内，并且可能挡住下一次扫描时激光光束传播的路径。此外激光焦点附近通常伴随有热影响区的产生，对热敏感材料(如高分子材料，树脂基复合材料等)的精密加工带来不利的影响。

近年来，为了减少热效应带来的不利影响，水辅助激光加工得到广泛的采用。如水射流辅助激光加工，水下烧蚀或背向烧蚀等。但上述方法都有其缺点，如在较厚水层下对材料进行烧蚀时，高强度的超短脉冲激光在水中传输会引起光学击穿和其他非线性效应：气泡产生、超连续白光或自聚焦效应，造成相当部分激光能量的损失。使用较薄的水层可以避免上述问题，例如将水层的厚度控制在几微米的范围内。较薄的水层可以通过水射流、水喷雾和蒸汽清洗装置产生，但高速水射流不能在表面产生厚度均匀的水层，而且消耗大量水，水喷雾蒸汽清洗装置产生的大量液滴会使入射的激光发生散射。

文献[Applied Surface Science 265(2013)865–869]中采用了气体和水同轴的方式将少量水高速喷射到加工材料表面，形成约1平方厘米的液膜，该方法对于小范围的激光钻孔有良好的效果。但由于在材料表面的液膜覆盖面积过于狭小，对于采用扫描振镜进行的大面积(通常大于100mm×100mm)的高速激光烧蚀加工，这种方法无法发挥作用。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置，利用多个喷射口并行排列或者高速摆动等方式，扩大待加工材料的表面上液膜面积，使液膜的面积扩大到100mm×100mm，将小范围的单个孔加工扩大到利用高速振镜实现多孔、划线、切割、减薄等大范围的加工。此外，引入冷却气体，一方面有利于烧蚀碎屑的去除，另一方面可以通过低温水流和冷却压缩空气的共同作用降低激光烧蚀区域材料表面温度，抑制材料热损伤，减小热影响区，去除粉尘，提高激光加工质量。

本发明的技术解决方案如下：

一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置，包括激光器、光路系统、水气同轴辅助加工系统。

所述水气同轴辅助加工系统包括冷却压缩空气供应装置、水流供应装置、冷却压缩空气输气管、一分多空气管、支气管、冷压缩空气输气管气压阀、冷压缩空气支管气压阀、接供水装置的主给水管、一分多给水管、支给水管、主给水管水流调节阀、支给水管水流调节阀、排水管、不锈钢针管、锥形喷嘴、两个一字型结构、密封集尘罩、抽风机(24)、供待加工材料夹紧固定的升降式工作台；

所述的冷却压缩空气输气管一端外接冷压缩空气供应装置，另一端穿过所述的密封集尘罩的一侧冷却压缩空气通孔进入密封集尘罩内，经过冷压缩空气输气管气压阀连接一分多空气管；所述的一分多空气管经过冷压缩空气支管气压阀与支气管连结；

所述的支气管末端连结有锥形喷嘴，不锈钢针管穿过所述的锥形喷嘴侧壁中的小孔，与锥形喷嘴轴心重合，不锈钢针管的出口端伸出锥形喷嘴管口末端若干距离；

所述的接供水装置的主给水管一端穿过所述的密封集尘罩的一侧水流通孔外接水流供应装置，另一端经过主给水管水流调节阀连结一分多给水管；该一分多给水管通过支给水管水流调节阀与支给水管连结；

所述的支给水管通过支给水管水流调节阀与不锈钢针管连结，水流通过不锈钢针管管口流出，在锥形喷嘴管口末端由冷却压缩空气驱动喷射到待加工材料表面，行成均匀的水膜；

在所述的密封集尘罩上设有喇叭口，用于连通所述的抽风机；该密封集尘罩的顶部通过螺丝与扫描振镜的底部固定。

所述的冷压缩空气供应装置提供温度为0～10℃的冷却压缩气体，气体压力为0.1～10MPa，冷却压缩气体依次经过冷却压缩空气输气管、冷压缩空气输气管气压阀、一分多空气管、冷压缩空气支管气压阀、支气管进入锥形喷嘴，从该锥形喷嘴管口喷出，该管口直径为2～6mm；水流依次通过主给水管、主给水管水流调节阀、一分多给水管、支给水管水流调节阀、支给水管、支给水管水流调节阀进入不锈钢针管，水流通过该不锈钢针管管口流出，该，水流量为10-60ml/h。控制适当的气压和水流量，使少量水被高速喷射到待加工材料表面，形成均匀的水膜。

利用多个喷射口并行喷射或者喷嘴高速摆动等方式，扩大待加工材料表面上的液膜面积，使水膜的面积扩大到100mm×100mm。多个喷射口并行喷射时，其排列固定方式包括两侧对称、圆形对称等，目的是获得大面积均匀的水膜。水路和气路同轴的掠入射喷射口还可以在电机驱动下在X方向和Y方向来回摆动，摆动方式包括但不限于单独进行X方向摆动、单独Y方向摆动、X和Y方向同时摆动，可以根据材料尺寸和激光扫描路径设计摆动方式，使水膜全部覆盖材料表面的激光加工区域。

调节升降式工作台Z轴高度，使得水气以掠入射的方式喷射到材料上待加工区域表面；可以选择合适的气压和水流量，单个喷射后可以产生长度达50mm的狭长水膜，如图1所示。

所述装置包括吸尘口和排水口，加工中产生的废气及粉尘通过吸尘器经吸尘口排出，废水经排水管从底部的排水口排出。

所述一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置，适合于采用振镜高速扫描进行烧蚀加工。振镜的高速大范围扫描不仅提高了加工效率，此外与低速扫描相比还有利于减少热量的累积。

所述一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置，适合于在Z向改变样品高度的激光加工，对样品实施逐层加工。进行逐层加工时，可保持激光焦平面和喷射形成的液膜平面固定不动，逐步改变待加工样品的Z向位置使烧蚀加工区域不断加深，最终完成较厚材料的烧蚀加工，如钻孔、切割、减薄、刻槽等。

本发明具有的有益效果：

(1)系统简单、成本低、易安装维护；

(2)冷压缩气体配合微流量水流，可以显著降低激光烧蚀产生的热影响区，避免强激光辐照下引起的热损伤；

(3)激光层切和加工平台同步步进的协同，在水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置提供的水膜的冷却作用下，可以在保证很小的热影响区甚至没有热影响区情况下，完成较厚材料的切割加工；

(4)阵列多个水路和气路同轴的掠入射喷射口，可以提供100mm×100mm的均匀水膜，扩大激光在有水气同轴辅助下的一次可加工区域面积，提高加工效率；

(5)拓宽激光辅助加工范围，将水气同轴辅助激光单点钻孔，扩大至一次多点钻孔、大尺寸切割、划线、标刻、减薄等。

附图说明

图1是单个水路和气路同轴的掠入射喷射口喷射水流示意图

图2是本发明装置整体结构图

图3是单个水路和气路同轴的掠入射喷射口摆动示意图

其中：1、不锈钢针管；2、锥形喷嘴；3、一字型结构；4、升降式工作台；5、冷压缩空气支管气压阀；6、支气管；7、冷压缩空气输气管气压阀；8、一分多空气管；9、冷压缩空气输气管；10、密封集尘罩；11、激光束；12、连接支架；13、15、扫描振镜X轴和Y轴转动电机；14、扫描振镜；16、反射镜；17、波纹软管；18、聚焦远心场镜和保护镜片；19、主给水管水流调节阀；20、接供水装置的主给水管；21、一分多给水管；22、支给水管水流调节阀；23、支给水管；24、抽风机；25、喇叭口；26、排水管；27、排水槽；28、待加工材料表面的水膜。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案阐述更加清楚，下面结构附图，对本发明作进一步说明。

图2所示，是一种水气同轴辅助振镜扫描的激光加工装置，包括激光器、光路系统、水气同轴辅助加工系统，所述激光器发射的激光束11进入扫描振镜14，经过X轴转动电机13和和Y轴转动电机15驱动的反射镜16进入远心聚焦场镜18进行聚焦，通过保护镜18后投射在材料表面上；

光路系统包括45°反射镜、扩束镜、扫描振镜14、远心聚焦场镜和保护镜片18，激光脉冲重复频率为50～200kHz，离焦量为-1～1mm，激光扫描速度为50～3000mm/s。

所述水气同轴辅助加工系统包括冷却压缩空气供应装置、水流供应装置、冷却压缩空气输气管9、一分多空气管8、支气管6、冷压缩空气输气管气压阀7、冷压缩空气支管气压阀5、接供水装置的主给水管20、一分多给水管21、支给水管23、支给水管水流调节阀22、排水管26、不锈钢针管1、锥形喷嘴2、两个一字型结构3、密封集尘罩10、抽风机24、供待加工材料夹紧固定的升降式工作台4。

冷却压缩气体由冷却压缩空气供应装置经过冷却压缩空气输气管9通过密封集尘罩10的一侧冷却压缩空气通孔进入密封集尘罩内，经过冷压缩空气输气管气压阀7进入升降式工作台4两侧的两个入口直径为12mm的一分多空气管8中；再经过10个冷压缩空气支管气压阀5分别进入10个直径为6mm的支气管6中；然后进入锥形喷嘴2，从该锥形喷嘴2管口喷出，该管口直径为2～6mm。

水流供应装置供应的水流穿过主给水管20通过密封集尘罩10的一侧水流通孔进入，水流经过主给水管水流调节阀19后分别进入2根一分多给水管21中、再经过10个支给水管水流调节阀22进入10根支给水管23、然后流入10个不锈钢针管1中，水流通过不锈钢针管1管口流出，该管口直径为0.2～2mm，不锈钢针管1管口伸出锥形喷嘴2管口5～20mm，水流量为10～60ml/h。控制适当的气压和水流量，使少量水被高速喷射到待加工材料表面，形成均匀的水膜。

水气同轴辅助加工系统中气管和不锈钢针管1数量包括但不限于10个，不锈钢针管1位于锥形喷嘴2的轴心线上，锥形喷嘴2和不锈钢针管1的排列固定方式包括双排一字型式、圆形封闭式，但不限于这两种方式。

图1是水气同轴辅助加工系统中单个水路和气路同轴的掠入射喷射口喷射水膜示意图，安装方式包括但不限于图3所示，通过调节冷压缩空气输气管气压阀7、冷压缩空气支管气压阀5、主给水管水流调节阀19和支给水管水流调节阀22可以使单个水路和气路同轴的掠入射喷射口喷射水膜覆盖长度达到50mm，阵列20个水路和气路同轴的掠入射喷射口后，可以使水膜覆盖整个材料表面约100mm×100mm的待加工区域；单个锥形喷嘴2和锥形喷嘴2中的不锈钢针管1可以在电机驱动下以锥形喷嘴2轴线为对称轴进行X方向和Y方向来回摆动，摆动方式包括但不限于单独进行X方向摆动、单独Y方向摆动、X和Y方向同时摆动，可以根据材料尺寸和激光的实际加工路径，调整水路和气路同轴的掠入射喷射口的摆动，使水膜覆盖材料表面的激光加工区域。

在实际应用中，具体流程为：

(1)将碳纤维板固定在升降式工作台4上，根据材料厚度通过升降电机调整升降式工作台4，使材料代加工区域表面与激光焦平面重合。

(2)开启冷压缩空气系统、调节气体冷却温度、流量和水流量，气体温度为0～10℃，压力为0.1～10MPa，水流量为10～60ml/h。

(3)根据材料尺寸和加工图形确定路径加工路径，激光脉冲数、重复频率、功率、离焦量、单层扫描步进量、激光扫描速度，激光脉冲重复频率为50～200kHz，离焦量为-1～1mm，激光扫描速度为50～3000mm/s。

(4)打开激光器和扫描振镜，激光射在材料表面开始按照既定路径进行水气同轴辅助振镜扫描的激光加工。冷压缩空气一方面可以将激光烧蚀中产生的气体粉尘及时吹走，另一方面可以冷却锥形喷嘴2轴心处不锈钢针管1中的水流，降低水流温度；低温水流形成水膜覆盖在激光路径区域，降低激光加工区域的温度，使激光加工时产生的热量及时被冷压缩空气和低温水流吸收并被吹走，然后由抽风机吸除所有的粉尘和废气，废水经过排水管排除。

(5)通过升降电机使升降式工作台4与激光切入材料的深度保持同步，通过多次的单层切割后，完成增强树脂碳纤维板的切割、钻孔、打标、刻槽、图案化。

通过上述步骤可以高质量的完成对包括增强树脂碳纤维基板、有机玻璃板、陶瓷、半导体、金属、多层复合材料等在内的材料的激光加工，冷压缩空气和低温的水流产生的水膜，有效地减小激光在材料表面和材料切割截面产生的热影响区，可以获得无热影响区的加工表面和质量，扩大了激光可加工的材料种类和材料厚度。对于厚度较大的复合材料，例如厚度为10～17mm的碳纤维复合材料在进行激光加工时，这种水气同轴辅助加工的效果更加显著。

以上表述仅阐明了本发明的一种实施方式，其表述比较具体详细，但是不可理解为对本发明专利范围的限制。需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作任何形式的修改。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为依据。

Claims (5)

1.一种水气同轴辅助振镜扫描激光加工装置，其特征在于：包括激光器、光路系统、水气同轴辅助加工系统，所述激光器发射的激光束经光路系统后投射在待加工材料表面；

所述水气同轴辅助加工系统包括冷却压缩空气供应装置、水流供应装置、冷却压缩空气输气管(9)、一分多空气管(8)、支气管(6)、冷压缩空气输气管气压阀(7)、冷压缩空气支管气压阀(5)、接供水装置的主给水管(20)、一分多给水管(21)、支给水管(23)、主给水管水流调节阀(19)、支给水管水流调节阀(22)、排水管(26)、不锈钢针管(1)、锥形喷嘴(2)、两个一字型结构(3)、密封集尘罩(10)、抽风机(24)、供待加工材料夹紧固定的升降式工作台(4)；

所述的冷却压缩空气输气管(9)一端外接冷压缩空气供应装置，另一端穿过所述的密封集尘罩(10)的一侧冷却压缩空气通孔进入密封集尘罩内，经过冷压缩空气输气管气压阀(7)连接一分多空气管(8)；所述的一分多空气管(8)经过冷压缩空气支管气压阀(5)与支气管(6)连结；

所述的支气管(6)末端连结有锥形喷嘴(2)，不锈钢针管(1)穿过所述的锥形喷嘴(2)侧壁中的小孔，与锥形喷嘴(2)轴心重合，不锈钢针管(1)的出口端伸出锥形喷嘴(2)管口末端若干距离；

所述的接供水装置的主给水管(20)一端穿过所述的密封集尘罩(10)的一侧水流通孔外接水流供应装置，另一端经过主给水管水流调节阀(19)连结一分多给水管(21)；该一分多给水管(21)通过支给水管水流调节阀(22)与支给水管(23)连结；

所述的支给水管(23)通过支给水管水流调节阀(22)与不锈钢针管(1)连结，水流通过不锈钢针管(1)管口流出，在锥形喷嘴(2)管口末端由冷却压缩空气驱动喷射到待加工材料表面，行成均匀的水膜；

在所述的密封集尘罩(10)上设有喇叭口(25)，用于连通所述的抽风机(24)；该密封集尘罩(10)的顶部通过螺丝与扫描振镜(14)的底部固定。

2.根据权利要求1所述的一种水气同轴辅助振镜扫描激光加工装置，其特征在于：在所述的升降式工作台(4)的上表面还设有排水槽(27)以及一端与该排水槽(27)相连的排水管(26)，该排水管(26)的另一端通过密封集尘罩(10)上的排水孔伸出密封集尘罩(10)外。

3.根据权利要求1或2所述的一种水气同轴辅助振镜扫描激光加工装置，其特征在于：在所述的一字型结构(3)上还设有连结支架(12)，该连结支架(12)一端固定在所述的密封集尘罩(10)顶部，另一端通过转动轴承与所述的一字型结构(3)连结，使所述的待加工材料表面的水膜(28)与光路系统出射激光的焦平面始终重合。

4.根据权利要求3所述的一种水气同轴辅助振镜扫描激光加工装置，其特征在于：所述的一字型结构(3)水平方向上设有多个供锥形喷嘴(2)穿过的通孔，该一字型结构(3)中心位置设有转动轴承，使一字型结构在电机驱动下沿水平面摆动。

5.根据权利要求3所述的一种水气同轴辅助振镜扫描激光加工装置，其特征在于：所述的冷压缩空气供应装置提供温度为0～10℃的冷却压缩气体，气体压力为0.1～10MPa，冷却压缩气体依次经过冷却压缩空气输气管(9)、冷压缩空气输气管气压阀(7)、一分多空气管(8)、冷压缩空气支管气压阀(5)、支气管(6)进入锥形喷嘴(2)，从该锥形喷嘴(2)管口喷出，该管口直径为2～6mm；水流依次通过主给水管(20)、主给水管水流调节阀(19)、一分多给水管(21)、支给水管水流调节阀(22)、支给水管(23)、支给水管水流调节阀(22)进入不锈钢针管(1)，水流通过该不锈钢针管(1)管口流出，该不锈钢针管(1)管口伸出锥形喷嘴(2)管口5～20mm；该管口直径为0.2～2mm，水流量为10～60ml/h。

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