[发明专利]水射流和气流复合辅助激光加工的方法和系统

说明书

技术领域

本发明属激光加工技术领域，具体涉及一种用于提高激光加工效率的水射流和气流复合辅助激光加工的方法和系统。

背景技术

激光加工适合于大部分材料，具有非接触、灵活和精确等优点。但对于微米、亚微米级刻蚀领域的一些应用，激光直刻产生的热影响区、沉积和冲击破坏效应等问题是不容忽视的。为此，在目前的激光加工中，采用辅助气体喷射来吹走激光直刻产生的飞溅物,同时降低激光加工区温度。但是，在激光刻蚀加工深度加大的时候，气体喷嘴的气流进入切割缝内的量明显减少，因而大大地降低了气体喷嘴的效率,无法有效地清除激光刻蚀产生的碎屑和降温,直接影响激光刻蚀效率和加工质量,例如工件会产生再铸层、残余应力和微裂纹等。因此，目前的激光加工切缝深度小于10mm，无法用于更大厚度板材的切割。

发明内容

本发明的目的是公开一种水射流和气流复合辅助激光加工的方法，利用水射流限制气体的扩张，提高激光加工的效率和质量。

本发明的另一目的是设计一种实现水射流和气流复合辅助激光加工的方法的水射流和气流复合辅助激光加工的系统，在常规的与激光束同轴的气体喷嘴后方再设置一个水射流喷嘴，水射流限制气体的扩张，提高动量传递，同时更好地使加工区域降温。

本发明的水射流和气流复合辅助激光加工的方法，激光束聚焦于工件表面，气流束与激光束同轴，气流束直径大于激光束聚焦点直径，在气流束后方有水射流束，水射流束也进入激光加工的工件切缝内。

所述水射流使用超纯水，超纯水为去离子水或蒸馏水。

所述水射流束的中心线处于激光束中心线和工件切缝构成的平面内。

所述水射流束的中心线与工件表面的交点和激光束在工件表面聚焦点的中心之间的距离为1～2mm。

本发明为实现水射流和气流复合辅助激光加工的方法设计的水射流和气流复合辅助激光加工的系统，包括激光控制单元、脉冲激光器、聚焦透镜、气体喷嘴和工作台，工件固定于工作台表面，激光控制单元连接、控制脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光束经聚焦透镜聚缩，穿过气体喷嘴后聚焦于工件表面，气体喷嘴的纵向中心线与激光束同轴，在气体喷嘴后方，设置有水射流喷嘴，水射流束中心线处于激光束中心线和所加工的切缝构成的平面内。

所述水射流喷嘴喷孔和气体喷嘴喷孔的直径为mm量级。

所述水射流喷嘴喷射的水为去离子水或蒸馏水的超纯水。

所述水射流喷嘴喷孔的纵向中心线处于激光束中心线和工件切缝构成的平面内。所述水射流喷嘴喷孔的纵向中心线与工件表面的交点和激光束在工件表面的聚焦点的中心之间的距离为1～2mm。

接有储气瓶的气泵与气体喷嘴连接，产生气流束。水泵连接水射流喷嘴，以产生水射流。计算机控制中心连接控制气泵和水泵，控制其启停和产生的压力。计算机控制中心还连接激光控制单元，控制激光功率。

所述工作台安装有工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构，X轴驱动电机和Y轴驱动电机分别连接工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构，计算机控制中心连接X轴驱动电机和Y轴驱动电机，控制工作台的移动。

所述工作台上方有装有超纯水的工作腔，工作台顶部的凸台位于工作腔内，工作台凸台顶面高于工作腔的水面，工件固定于工作台凸台顶面。

工作腔有溢流口，溢流口的最低点低于工作台顶面。

工作腔的溢流口经溢流管接入水池，水池内存储产生水射流的超纯水，水泵的进口经过滤器接入水池内、吸取水池内的超纯水，水泵出口接入水射流喷嘴，泵出的压力水经水射流喷嘴产生水射流。

所述水泵出口经球阀接入水射流喷嘴，球阀相当于水流开关，开启球阀水泵才可向水射流喷嘴送水。

所述水泵出口经三通接溢流调压阀的一端，溢流调压阀的另一端经溢流调压管接回水池。调节溢流调压阀可调节水流速度，从而调节水射流喷嘴的水射流喷射速度。水射流喷射速度根据加工的材料的厚度进行调整。

开始工作前,确认管路畅通，开启球阀，开启水泵，调节溢流调压阀，水射流喷嘴产生高速稳定的水射流，使水射流束在工件表面喷射点中心和激光束在工件表面上的聚焦点中心的距离为1～2mm。加工时开启水泵，则水依次流经过滤器、水泵、球阀，从水射流喷嘴的喷孔高速喷射出，从工件表面流到工作腔内，再从工作腔的溢流口回流至水池，水循环工作。