CN204621369U - 一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，包括激光系统和水射流系统，激光系统是主体，水射流系统起辅助作用，激光系统的激光束最终从激光头发出，水射流系统的水射流束通过安装在喷嘴上的医用针头喷出，转动手摇轮可以改变喷嘴与加工位置的垂直距离，滑动直线导轨可以改变喷嘴与加工位置的水平距离，确定好喷嘴相对于陶瓷的最佳位置以后，用激光的高能量和水射流束的冲蚀作用共同加工陶瓷表面。通过本实用新型所提供的装置，最终可以实现在陶瓷表面上刻蚀出所需的凹槽，并且凹槽表面没有明显的熔渣、重铸层等等。

Description

一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置

技术领域：

本实用新型涉及激光加工的应用领域，具体为一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置。

背景技术：

陶瓷具有优良的高温力学性能，抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良性能。它在石油化学工业、宇航和汽车工业等领域中备受青睐，这些领域有的需要在陶瓷表面刻圆槽，有的需要在其表面打圆孔。但是，由于陶瓷的高硬脆性，常规的机械加工存在刀具磨损严重，加工表面粗糙等缺陷，而采用电火花、超声波等特种加工时，依然存在效率低的缺点。

激光加工是指把激光照射到工件上，通过高度聚集的光能转变成热能，使被加工部位熔融和蒸发，实现材料去除的过程，它被誉为“万能加工工具”。激光刻蚀技术作为激光加工技术中的一种，它使得激光刻蚀陶瓷这类难加工材料变成了现实，但由于激光加工主要是利用高密度能量通过熔化、蒸发和喷射来实现材料加工，因而材料表面会存在比较严重的再铸层和不可避免的残余热应力和微裂纹，影响了材料的表面加工质量。

实用新型内容：

基于激光刻蚀陶瓷过程中存在的各种问题，本实用新型通过引入水射流技术，利用水射流-激光复合装置，以期去除陶瓷表面的熔渣、并降低再铸层厚度、减少热影响区等等，从而提高加工表面的质量。

本实用新型所述一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，该装置包括激光系统和水射流系统；

所述激光系统包括工作台、激光头、辅助气体氧气、激光束、反射镜；所述激光束经反射镜垂直射入激光头，所述激光头射出激光束到陶瓷片，所述陶瓷片固定于工作台上；

所述水射流系统包括水射流束、医用针头、喷嘴、手摇轮、支撑杆、喷枪、直线导轨、泵、水管、水箱、V带、电动机；所述电动机通过V带连接泵，所述泵连接水管吸入水箱中的清水；所述泵同时连接喷枪，所述喷枪上安装喷嘴，所述喷嘴上安装医用针头，所述医用针头射出水射流束到陶瓷片上；所述手摇轮通过支撑杆改变喷嘴与工作台的垂直距离；所述直线导轨通过支撑杆改变喷嘴与工作台的水平距离。

在本实用新型中，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s。

在本实用新型中，所述医用针头直径为0.9mm。

在本实用新型中，所述水射流束与激光束的角度为45±15°，所述水射流束的流速为16±4m/s。

本实用新型具有的有益效果：

(1)水射流装置简单，成本低，加工过程中没有化学液体参与，对环境污染小；

(2)水射流的冲刷作用能够有效减少陶瓷表面熔渣、降低再铸层厚度，水射流的冷却作用能够显著缩小热影响区；

(3)利用水射流-激光刻蚀陶瓷技术，能够在陶瓷表面刻蚀出加工表面质量良好的凹槽。

附图说明：

图1为本实用新型的装置结构图。

其中：1、工作台；2、陶瓷片3、激光头；4、辅助气体氧气；5、激光束；6、水射流束；7、反射镜；8、医用针头；9、喷嘴；10、手摇轮；11、支撑杆；12、喷枪；13、直线导轨；14、泵；15、水管；16、水箱；17、V带；18、电动机

图2为本实用新型实施的水射流-激光刻蚀陶瓷的流程图。

具体实施方式：

为了使本实用新型能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，包括激光系统和水射流系统，激光系统是主体，激光束5的烧蚀作用能够在陶瓷表面刻蚀出相应的凹槽，水射流系统起辅助作用，水射流束6的冲蚀作用有效地减少刻槽表面的熔渣。

激光系统包括工作台1、激光头3、辅助气体氧气4、激光束5、反射镜7；激光束5经反射镜7垂直射入激光头3，激光头3射出激光束5到陶瓷片2，陶瓷片2固定于工作台1上；

水射流系统包括水射流束6、医用针头8、喷嘴9、手摇轮10、支撑杆11、喷枪12、直线导轨13、泵14、水管15、水箱16、V带17、电动机18；电动机18通过V带17连接泵14，泵14连接水管15吸入水箱16中的清水；泵14同时连接喷枪12，喷枪12上安装喷嘴9，喷嘴9上安装医用针头8，医用针头8射出水射流束6到陶瓷片2上；手摇轮10通过支撑杆11改变喷嘴9与工作台1的垂直距离；直线导轨13通过支撑杆11改变喷嘴9与工作台1的水平距离。

激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s，激光刻蚀陶瓷深度为纳米级，所需激光系统的工艺参数不能过大。

医用针头8直径为0.9mm。

水射流束6与激光束5的角度为45±15°，水射流束6的流速为16±4m/s。

利用本实用新型的装置进行加工，以碳化硅陶瓷为例，具体步骤如图2：

(1)确定陶瓷尺寸及加工位置：

选择碳化硅陶瓷片，陶瓷片尺寸为30x30x2mm，把陶瓷片固定在工作台1上的合理位置，使得加工位置恰好为陶瓷片2的正中心。

(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数：

正常启动空气开关和激光器开光，激光器为500W的Nd³⁺：YAG激光器，把激光器的电流强度调为150A，脉冲宽度调为0.6ms，脉冲重复频率调为30Hz。

逆时针转动手摇轮10，可以通过支撑杆11增加喷嘴9与加工位置的垂直距离，使得垂直距离为50cm；滑动直线导轨13，可以改变喷嘴9与加工位置的水平距离，使得水平距离为50cm。

开启水射流系统开关，使得电动机正常运转，通过调节泵14的压力，经过多次实验，最终把水射流流速确定为16m/s，水射流束6与激光束5的角度为45°。

(3)确定激光扫描速度和扫描路径；

选择激光刻蚀的扫描速度为0.8mm/s，扫描路径为10mm的直线。

(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。

在水箱16中加入足够的水，启动电动机18和激光器，激光按照预定的路径进行扫描。

加工过程结束。

通过上述步骤可以方便的完成碳化硅陶瓷片的凹槽加工，通过水射流系统的设置，既提高了刻蚀的速率，也提高了产品的表面加工质量。

以上所述仅表达了本实用新型的一种实施方式，其表述比较详细，但是不可以理解为对本实用新型专利范围的限制。需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作任何形式的修改。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，包括激光系统和水射流系统；

所述激光系统包括工作台(1)、激光头(3)、辅助气体氧气(4)、激光束(5)、反射镜(7)；所述激光束(5)经反射镜(7)垂直射入激光头(3)，所述激光头(3)射出激光束(5)到陶瓷片(2)，所述陶瓷片(2)固定于工作台(1)上；

所述水射流系统包括水射流束(6)、医用针头(8)、喷嘴(9)、手摇轮(10)、支撑杆(11)、喷枪(12)、直线导轨(13)、泵(14)、水管(15)、水箱(16)、V带(17)、电动机(18)；所述电动机(18)通过V带(17)连接泵(14)，所述泵(14)连接水管(15)吸入水箱(16)中的清水；所述泵(14)同时连接喷枪(12)，所述喷枪(12)上安装喷嘴(9)，所述喷嘴(9)上安装医用针头(8)，所述医用针头(8)射出水射流束(6)到陶瓷片(2)上；所述手摇轮(10)通过支撑杆(11)改变喷嘴(9)与工作台(1)的垂直距离；所述直线导轨(13)通过支撑杆(11)改变喷嘴(9)与工作台(1)的水平距离。

2.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6±0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s。

3.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，所述医用针头(8)直径为0.9mm。

4.根据权利要求1所述的水射流-激光刻蚀陶瓷的装置，其特征在于，所述水射流束(6)与激光束(5)的角度为45±15°，所述水射流束(6)的流速为16±4m/s。