CN116494132A - 激光辅助磨料水射流对射加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光辅助磨料水射流对射加工方法及装置，将射流喷嘴、激光发射头分设于运动平台两侧；调节射流喷嘴、激光发射头与加工竖直基准面的相对位置；对射流喷嘴与激光发射头进行对正；将工件安装于运动平台，使工件的待加工面与射流喷嘴位于同侧；通过运动平台调节工件位置，使待加工面与加工基准面重合；启动射流喷嘴与激光发射头，使激光束与射流束共同指向待加工面的预设加工起点；运动平台驱动工件按预设路径于竖向平面内移动，使待加工面被加工出特定的图案。本发明中激光与射流分设于工件的两侧，激光穿过工件背面聚焦于工件待加工面，射流从正面去除待加工面上被软化的材料，其激光能量损耗低，带有磨粒的射流冲击力更大。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光辅助磨料水射流对射加工方法及装置。
背景技术
硬脆材料是对具有较高硬度和较大脆性的材料的统称，由于材料弹性系数高，硬度高、耐磨性好，因此加工时材料弹性变形小，去除量小，易于得到表面粗糙度小，变质层较浅的优质表面，但由于材料脆性较大，容易产生加工缺陷。在工程中常用的硬脆材料有陶瓷、晶体、玻璃等，其中玻璃、晶体等透光性较好的硬脆材料是应用最为广泛的光电材料，优异的物理化学稳定性提高了器件的耐用性，同时也为其精细加工带来了更多的挑战。
激光辅助水射流加工是利用激光辐照提升材料表层温度，降低加工区材料力学性能，并用高压水射流去除远低于熔点温度下的激光辐照区的材料，降低加工区热影响，同时，水射流作为主要去除手段大大提高了加工效率，并达到近无损伤的加工效果。
现有技术中所采用水射流加工设备，激光与水射流均设置在工件的同一侧，激光需要穿透水射流冲击工件表面形成的厚水层，激光能量的损耗较大，此外，水射流中若加入磨料会增加对激光的反射作用，大大降低激光的能量，因此只能使用纯水射流，但纯水射流相较于磨料水射流的加工能力低得多，无法发挥磨料水射流的最大加工能力。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明的提供一种激光辅助磨料水射流对射加工方法及装置，激光与射流分设于工件的两侧，激光穿过工件背面聚焦于工件待加工面，射流从正面去除待加工面上被软化的材料。
本发明的目的之一是，提供一种激光辅助磨料水射流对射加工方法，包括以下步骤：
将射流喷嘴、激光发射头分设于运动平台两侧；
调节射流喷嘴、激光发射头与加工竖直基准面的相对位置；
对射流喷嘴与激光发射头进行对正，使激光束与射流束汇集于加工竖直基准面同一部位；
将工件安装于运动平台，使工件的待加工面与射流喷嘴位于同侧；
通过运动平台调节工件位置，使待加工面与加工基准面重合；
启动射流喷嘴与激光发射头，使激光束与射流束共同指向待加工面的预设加工起点；所述射流束包括射流介质与磨料；
运动平台驱动工件按预设路径于竖向平面内移动，使工件的待加工面被加工出特定的图案。
在本发明较佳的技术方案中，所述对射流喷嘴与激光发射头进行对正，使激光束与射流束汇集于加工竖直基准面同一部位，包括以下步骤：
在运动平台上竖直安装校准玻璃片；
打开激光光斑追踪仪照射在校准玻璃片上形成第一光斑轮廓；
打开射流喷嘴，使用低压力的射流，冲击校准玻片，调整射流喷嘴的角度和位置，使射流束作用于校准玻片上的冲击点轮廓落在第一光斑轮廓内；
打开激光发射头，使用低能量的激光束照射在校准玻片上形成第二光斑轮廓，调整激光发射头的位置，使第二光斑轮廓落在冲击点轮廓内，以完成对正。
在本发明较佳的技术方案中，所述第一光斑轮廓、冲击点轮廓、第二光斑轮廓的面积依次递减。
在本发明较佳的技术方案中，所述启动射流喷嘴与激光发射头，使激光束与射流束共同指向待加工面的预设加工起点，包括：
若工件为透光材料，需根据工件厚度、材质与折射率的相对关系，获取激光束相对预设加工起点的偏移量；
根据偏移量移动调整激光发射头的位置，使激光束聚焦于预设加工起点。
在本发明较佳的技术方案中，在运动平台驱动工件按预设路径于竖向平面内移动之前，需要根据工件的材质，预设激光功率阈值及射流工艺参数。
在本发明较佳的技术方案中，所述工件为透光材料时，激光功率能大于激光功率阈值；所述工件为非透光材料时，激光功率为激光功率阈值的0.5-1倍。
在本发明较佳的技术方案中，所述激光功率阈值通过以下公式计算：
pm＝sf/4π/4d2；
其中，s为材料的烧蚀阈值，f为激光频率，d为激光光斑半径。
本发明的目的之二是，提供一种激光辅助磨料水射流对射加工装置，包括：
射流系统，所述射流系统包括射流喷嘴、第一机械手，所述射流喷嘴安装于第一机械手的执行端，射流喷嘴用于产生射流束对工件进行加工；
激光系统，所述激光系统包括激光发射头、第二机械手，所述激光发射头安装于第二机械手的执行端，激光发射头用于发射激光束对工件进行加热；
三轴移动模组，所述三轴移动模组上设有用于安装工件的夹具，三轴移动模组用于带动夹具按预设轨迹移动，所述激光发射头、射流喷嘴分别设置于三轴移动模组两侧；
控制器，所述控制器分别与射流系统、激光系统、三轴移动模组电性连接；
激光光斑追踪仪，用于对射流束于激光束进行对正。
在本发明较佳的技术方案中，所述三轴移动模组下方的设置有射流回收槽。
在本发明较佳的技术方案中，所述射流束包括射流介质与磨料。
本发明的有益效果为：
激光与射流分设于工件的两侧，激光穿过工件背面聚焦于工件待加工面，射流从正面去除待加工面上被软化的材料，相较于同侧布置的激光水射流设备，其激光能量损耗低，带有磨粒的射流冲击力更大，激光能量不会发生过大的损耗；
能实现对透光的硬脆性材料的加工及非透光的薄片型硬脆性材料的加工。
附图说明
图1是激光辅助磨料水射流对射加工方法的流程图。
图2是对正调节的流程图。
图3是对正调节的原理图。
图4是激光辅助磨料水射流对射加工装置的示意图。
附图标记：
1-激光发射头；2-射流喷嘴；3-激光光斑追踪仪；4-校准玻璃片；5-激光束；6-射流束；7-第一光斑轮廓；8-冲击点轮廓；9-第二光斑轮廓；10-工件；11-夹具；12-三轴移动模组；13-射流回收槽。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语”第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为信息，类似地，信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
硬脆材料是对具有较高硬度和较大脆性的材料的统称，由于材料弹性系数高，硬度高、耐磨性好，因此加工时材料弹性变形小，去除量小，易于得到表面粗糙度小，变质层较浅的优质表面，但由于材料脆性较大，容易产生加工缺陷。在工程中常用的硬脆材料有陶瓷、晶体、玻璃等，其中玻璃、晶体等透光性较好的硬脆材料是应用最为广泛的光电材料，优异的物理化学稳定性提高了器件的耐用性，同时也为其精细加工带来了更多的挑战。
激光辅助水射流加工是利用激光辐照提升材料表层温度，降低加工区材料力学性能，并用高压水射流去除远低于熔点温度下的激光辐照区的材料，降低加工区热影响，同时，水射流作为主要去除手段大大提高了加工效率，并达到近无损伤的加工效果。
现有技术中所采用水射流加工设备，激光与水射流均设置在工件的同一侧，激光需要穿透水射流冲击工件表面形成的厚水层，激光能量的损耗较大，此外，水射流中若加入磨料会增加对激光的反射作用，大大降低激光的能量，因此只能使用纯水射流，但纯水射流相较于磨料水射流的加工能力低得多，无法发挥磨料水射流的最大加工能力。
实施例1
针对上述问题，本实施例提供一种激光辅助磨料水射流对射加工方法，激光与射流分设于工件10的两侧，激光穿过工件10背面聚焦于工件10待加工面，射流从正面去除待加工面上被软化的材料。
如图1所示，一种激光辅助磨料水射流对射加工方法，该方法用于对硬材材料进行加工，包括以下步骤：
101将射流喷嘴2、激光发射头1分设于运动平台两侧；该设计使得射流喷嘴2能进行磨料水射流，带有磨料的水射流冲击力更大，提高加工能力的同时，激光能量不会发生过大的损耗。
102调节射流喷嘴2、激光发射头1与加工竖直基准面的相对位置；具体的，根据待加工的工件10参数，需调节射流喷嘴2的冲击距离与冲击角度，冲击距离为射流喷嘴2与加工竖直基准面的距离，示例性的，取值可为1-10mm；冲击角度为射流喷嘴2与加工竖直基准面之间的夹角，示例性的，取值可为30°-70°。
103对射流喷嘴2与激光发射头1进行对正，使激光束5与射流束6汇集于加工竖直基准面同一部位。
104将工件10安装于运动平台，使工件10的待加工面与射流喷嘴2位于同侧；
105通过运动平台调节工件10位置，使待加工面与加工基准面重合；
106启动射流喷嘴2与激光发射头1，使激光束5与射流束6共同指向待加工面的预设加工起点；所述射流束6包括射流介质与磨料；
107运动平台驱动工件10按预设路径于竖向平面内移动，使工件10的待加工面被加工出特定的图案。
在本实施例中，如图2、图3所示，所述对射流喷嘴2与激光发射头1进行对正，使激光束5与射流束6汇集于加工竖直基准面同一部位，包括以下步骤：
201在运动平台上竖直安装校准玻璃4片；
202打开激光光斑追踪仪3照射在校准玻璃4片上形成第一光斑轮廓7；
203打开射流喷嘴2，使用低压力(100-500Pa)的射流，冲击校准玻片，调整射流喷嘴2的角度和位置，使射流束6作用于校准玻片上的冲击点轮廓8落在第一光斑轮廓7内；
204打开激光发射头1，使用低能量(1-5μJ)的激光束5照射在校准玻片上形成第二光斑轮廓9，调整激光发射头1的位置，使第二光斑轮廓9落在冲击点轮廓8内，以完成对正。
在本实施例中，所述第一光斑轮廓7、冲击点轮廓8、第二光斑轮廓9的面积依次递减。示例性的。激光束5的第二光斑轮廓9直径10-100μm；射流喷嘴2的内径一般0.3mm-1.5mm，冲击点轮廓8的直径为第二光斑轮廓9直径的5-20倍，第一光斑轮廓7的直径为1.2-2倍的冲击点轮廓8直径。
在本实施例中，所述启动射流喷嘴2与激光发射头1，使激光束5与射流束6共同指向待加工面的预设加工起点，包括：
若工件10为透光材料，需根据工件10厚度、材质与折射率的相对关系，获取激光束5相对预设加工起点的偏移量；
根据偏移量移动调整激光发射头1的位置，使激光束5聚焦于预设加工起点。
在本实施例中，在运动平台驱动工件10按预设路径于竖向平面内移动之前，需要根据工件10的材质，预设激光功率阈值及射流工艺参数。示例性的，所述工件10为透光材料时，激光功率能大于激光功率阈值；所述工件10为非透光材料时，激光功率为激光功率阈值的0.5-1倍。示例性的，射流工艺参数根据材料进行选择，其属于本领域的常规技术手段，再次不在赘述。
在本实施例中，所述激光功率阈值通过以下公式计算：
pm＝sf/4π/4d2；
其中，s为材料的烧蚀阈值(单位J/cm2)，f为激光频率，d为激光光斑半径。
在本实施例中，需对射流喷嘴2喷射出的水和磨料进行集，避免激光发生元器件吸入损坏。
示例性的，激光参数如下：激光脉宽约45fs，波长1030nm，激光频率f为1000kHz，激光光斑半径d为20μm，激光光斑追踪仪3发出的光斑直径2mm。
以上述激光参数进行蓝宝石加工的参数示例如下：
蓝宝石参数如下：厚度h＝200μm，烧蚀阈值s＝4.5J/cm 2，折射率v＝1.7，激光功率阈值为14.13W。
设置激光的功率为16W(大于烧蚀阈值)，射流喷嘴2的孔径为0.3mm，射流压力为20MPa，喷嘴角度为45°，距工件10加工面的距离为5mm，射流介质为水，磨料为氧化铝，浓度为12wt％，磨粒大小为1.5μm。
以上述激光参数进行石英玻璃的参数示例如下：
石英玻璃参数如下：厚度h＝1mm，烧蚀阈值s＝22.2J/cm2，折射率v＝1.8，激光功率阈值为69.7W。
设置激光的功率为50W，射流喷嘴2的孔径为0.3mm，射流压力为15MPa，喷嘴角度为45°，距工件10加工面的距离为5mm，射流介质为水，磨料为氧化铝，浓度为12wt％，磨粒大小为1.5μm。
以上述激光参数进行硅片的参数示例如下：
硅片参数如下：厚度h＝100μm，烧蚀阈值s＝0.85J/cm2，激光功率阈值为2.66W。
设置激光的功率为2W，射流喷嘴2的孔径为0.3mm，射流压力为5MPa，喷嘴角度为45°，距工件10加工面的距离为5mm，射流介质为水，磨料为氧化铝，浓度为12wt％，磨粒大小为1.5μm。
本加工方法激光与射流分设于工件10的两侧，激光穿过工件10背面聚焦于工件10待加工面，射流从正面去除待加工面上被软化的材料。本加工方法能实现对透光的硬脆性材料的加工及非透光的薄片型硬脆性材料的加工。相较于同侧布置的激光水射流设备，本加工方法的激光能量损耗低，带有磨粒的水射流冲击力更大，加工能力大幅提升，对应透光的硬脆性材料能达到近无损伤的加工效果。
实施例2
该实施例仅描述与实施例1的不同之处，其余技术特征与上述实施例相同。进一步地，如图2所示，提供一种激光辅助磨料水射流对射加工装置，以实现实施例1中的激光辅助磨料水射流对射加工方法。
如图4所示，激光辅助磨料水射流对射加工装置包括：
射流系统，所述射流系统包括射流喷嘴2、第一机械手，所述射流喷嘴2安装于第一机械手的执行端，射流喷嘴2用于产生射流束6对工件10进行加工；
激光系统，所述激光系统包括激光发射头1、第二机械手，所述激光发射头1安装于第二机械手的执行端，激光发射头1用于发射激光束5对工件10进行加热；
三轴移动模组12，所述三轴移动模组12上设有用于安装工件10的夹具11，三轴移动模组12用于带动夹具11按预设轨迹移动，所述激光发射头1、射流喷嘴2分别设置于三轴移动模组12两侧；
控制器，所述控制器分别与射流系统、激光系统、三轴移动模组12电性连接；
激光光斑追踪仪3，激光光斑追踪仪3与激光发射头1同轴设置，用于对射流束6于激光束5进行对正，具体对正操作流程与实施例1相同，在此不在赘述。
在本实施例中，所述三轴移动模组12下方的设置有射流回收槽13，以对射流喷嘴2喷射出的水和磨料进行集，避免激光发生元器件吸入损坏。
在本实施例中，所述射流束6包括射流介质与磨料，带有磨料的水射流冲击力更大，能提高加工能力。
本加工装置具备对透光性较好的硬脆性材料的激光辅助磨料水射流对射加工能力，同时具备对透光性较差的硬脆性材料的单激光加工以及单高压磨料水射流加工能力，实现对半导体晶圆、超硬陶瓷、蓝宝石等硬脆材料的高效绿色加工。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“水平方向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、”第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将射流喷嘴、激光发射头分设于运动平台两侧；
调节射流喷嘴、激光发射头与加工竖直基准面的相对位置；
对射流喷嘴与激光发射头进行对正，使激光束与射流束汇集于加工竖直基准面同一部位；
将工件安装于运动平台，使工件的待加工面与射流喷嘴位于同侧；
通过运动平台调节工件位置，使待加工面与加工基准面重合；
启动射流喷嘴与激光发射头，使激光束与射流束共同指向待加工面的预设加工起点；所述射流束包括射流介质与磨料；
运动平台驱动工件按预设路径于竖向平面内移动，使工件的待加工面被加工出特定的图案。
2.根据权利要求1所述的激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，所述对射流喷嘴与激光发射头进行对正，使激光束与射流束汇集于加工竖直基准面同一部位，包括以下步骤：
在运动平台上竖直安装校准玻璃片；
打开激光光斑追踪仪照射在校准玻璃片上形成第一光斑轮廓；
打开射流喷嘴，使用低压力的射流，冲击校准玻片，调整射流喷嘴的角度和位置，使射流束作用于校准玻片上的冲击点轮廓落在第一光斑轮廓内；
打开激光发射头，使用低能量的激光束照射在校准玻片上形成第二光斑轮廓，调整激光发射头的位置，使第二光斑轮廓落在冲击点轮廓内，以完成对正。
3.根据权利要求2所述的激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，所述第一光斑轮廓、冲击点轮廓、第二光斑轮廓的面积依次递减。
4.根据权利要求1所述的激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，所述启动射流喷嘴与激光发射头，使激光束与射流束共同指向待加工面的预设加工起点，包括：
若工件为透光材料，需根据工件厚度、材质与折射率的相对关系，获取激光束相对预设加工起点的偏移量；
根据偏移量移动调整激光发射头的位置，使激光束聚焦于预设加工起点。
5.根据权利要求1所述的激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，在运动平台驱动工件按预设路径于竖向平面内移动之前，需要根据工件的材质，预设激光功率阈值及射流工艺参数。
6.根据权利要求5所述的激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，所述工件为透光材料时，激光功率能大于激光功率阈值；所述工件为非透光材料时，激光功率为激光功率阈值的0.5-1倍。
7.根据权利要求6所述的激光辅助磨料水射流对射加工方法，其特征在于，所述激光功率阈值通过以下公式计算：
pm＝sf/4π/4d2；
其中，s为材料的烧蚀阈值，f为激光频率，d为激光光斑半径。
8.一种激光辅助磨料水射流对射加工装置，其特征在于，包括：
射流系统，所述射流系统包括射流喷嘴、第一机械手，所述射流喷嘴安装于第一机械手的执行端，射流喷嘴用于产生射流束对工件进行加工；
激光系统，所述激光系统包括激光发射头、第二机械手，所述激光发射头安装于第二机械手的执行端，激光发射头用于发射激光束对工件进行加热；
三轴移动模组，所述三轴移动模组上设有用于安装工件的夹具，三轴移动模组用于带动夹具按预设轨迹移动，所述激光发射头、射流喷嘴分别设置于三轴移动模组两侧；
控制器，所述控制器分别与射流系统、激光系统、三轴移动模组电性连接；
激光光斑追踪仪，用于对射流束于激光束进行对正。
9.根据权利要求8所述的激光辅助磨料水射流对射加工装置，其特征在于，所述三轴移动模组下方的设置有射流回收槽。
10.根据权利要求8所述的激光辅助磨料水射流对射加工装置，其特征在于，所述射流束包括射流介质与磨料。
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|---|---|---|---|
| CN202310412030.2A CN116494132A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 激光辅助磨料水射流对射加工方法及装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310412030.2A CN116494132A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 激光辅助磨料水射流对射加工方法及装置 |
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|---|---|
| CN116494132A true CN116494132A (zh) | 2023-07-28 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117138989A (zh) * | 2023-08-28 | 2023-12-01 | 中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司 | 一种用于水导激光加工的推拉式射流喷嘴装置及使用方法 |
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2023
- 2023-04-17 CN CN202310412030.2A patent/CN116494132A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117138989A (zh) * | 2023-08-28 | 2023-12-01 | 中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司 | 一种用于水导激光加工的推拉式射流喷嘴装置及使用方法 |
| CN117138989B (zh) * | 2023-08-28 | 2024-06-11 | 中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司 | 一种用于水导激光加工的推拉式射流喷嘴装置及使用方法 |
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