[发明专利]激光-水射流复合微细加工工艺及装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及激光微细加工工艺技术，尤其是一种激光-水射流复合微细加工工艺及其装置。

二、背景技术

激光微细加工系统可对塑料、玻璃、陶瓷、半导体材料及金属薄膜等多种材料进行加工，加工精度可以达到微米级。其加工系统广泛应用于半导体材料及微电子器件的加工、生物医疗器械生产、计算机制造业、电子通讯等各个领域。激光的直径可达几微米甚至更小，且具有高光子能量，可加热、融化和气化所加工的材料。因此，利用这一原理的激光加工技术广泛应用于切割、微孔、刻蚀等微细加工工艺中。但是激光加工也存在加工区域产生热损伤的缺陷。为减少加工区的热损伤，许多研究者对常规激光微细加工技术进行了工艺改进，常用的有：使用超短脉冲激光加工技术、微水导激光加工技术和水射流辅助激光热振加工技术：

1.超短脉冲激光加工技术：通过发出非常短的脉冲激光(包括皮秒激光和飞秒激光)，以防止冲蚀过程中热量累积和向材料微组织周围传递。例如皮秒激光和飞秒激光具有极高的光子能量，可以在热量向工件材料内部传递前，在很短的时间内破坏材料的原子点阵去除加工材料，而不引起工件材料产生融化层和热应力。但是这种方法的材料去除率较低。

2.微水导激光加工技术：利用微水射流的光纤作用引导激光，同时微水射流也起到冷却加工区域的作用。这一技术可以达到较高的材料去除率，小的热影响区。但是，大功率激光和高压水都会引起微水射流的雾化，影响微水射流的连续性，从而影响激光束的传递、导致加工过程的不稳定。另外，激光点的尺寸取决于水射流的大小，难以实现微米级加工的需求。

3.水射流辅助激光热振加工技术：这一技术采用激光加热材料，再利用低压水射流快速冷却材料，由热振引起材料产生裂纹的可控扩展，以达到去除材料的目的。但是，这种加工技术不可避免的给加工区引入了裂纹损伤，而导致加工质量的降低。

三、发明内容

本发明的目的是克服现有传统激光微细加工、超短脉冲激光加工、微水导激光加工和水射流辅助激光热振加工技术存在的缺陷，提供一种激光-水射流复合微细加工工艺及其装置。

在激光-水射流复合微细加工工艺过程中，激光脉冲能量越大，其加热软化区的宽度约大，因此水射流冲蚀的材料去除率增大，而且切缝宽度和深度增大。高的移动激光脉冲重叠系数会增大激光加热软化区的宽度，因此会提高水射流冲蚀的材料去除率，同时增大切缝宽度和深度。水射流压力越高，水射流的冲蚀剪切能力越强，也会导致切缝宽度和深度增大。同时，过大的水射流压力也会增加冲蚀区的损伤。水射流冲蚀角度影响冲蚀过程中的冲击力度和剪切作用，从而影响材料去除率。因此，优化以上工艺参数是提高在激光-水射流复合微细加工加工质量的重要手段。本发明采用一种新的激光材料去除理念，即用激光将材料局部软化、通过优选加工参数，优化加工工艺，同时用水射流冲蚀去除被激光软化的材料，以达到对难加工材料的近无损伤加工。

本发明的基本构思，包括激光-水射流复合微细加工工艺和后偏置激光-水射流复合切割装置：

激光-水射流复合微细加工工艺为，水射流后置于激光束，并将水射流倾斜，使得激光和水射流同时作用于材料表面；水射流偏置距离即激光束作用点与后置的水射流冲蚀点之间距离的选择范围：0.4-0.8mm；激光束的焦平面位置(fpp)的调整范围为：根据不同切割深度和宽度的加工要求，调整范围为-0.6mm-0mm；激光脉冲能量的选择范围为：0.3mJ-0.6mJ；移动激光脉冲重叠系数的选择范围为：99.3％-99.9％；水射流压力的选择范围为：5MPa-20MPa；水射流冲蚀角度的选择范围为：30°-60°。

实施激光-水射流复合微细加工工艺的后偏置激光-水射流复合切割装置，其结构为，由水平导轨、垂直导轨组成的基体、水平调节滑板、垂直调节滑板、回转调节支架、水射流单元、激光切割单元构成；水平导轨上安装水平调节滑板，水平调节滑板上安装回转调节支架，垂直导轨上安装垂直调节滑板，水平调节滑板和垂直调节滑板分别由伺服电机驱动；水射流单元安装在回转调节支架上，激光切割单元安装在垂直调节滑板上；水射流单元是由水射流喷嘴、水射流喷嘴管、高压水管路、蓄能器和气动增压泵构成；激光切割单元由激光切割头及其光学系统和精密焦平面位置调节装置构成。该装置配合数控两轴移动工作台应用，两轴移动工作台安置于后偏置激光-水射流复合切割装置下部。