[发明专利]一种双激光加工水浸工件的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及液体辅助激光加工技术，具体为一种双激光加工水浸工件的方法和系统。

背景技术

激光加工作为微损且精密的加工手段在微尺度加工领域的应用越来越广泛。激光加工大多是利用激光的热效应，使材料局部受热达到熔点熔融，从而去除部分材料，完成切槽的刻蚀加工。

各种材料都无法避免存在一定细微的组织缺陷。在激光加热改变局部材料状态、去除材料的过程中，激光加工过程的高温使切槽周围一定的区域内不可避免地受到热影响。材料在局部高热产生的应力梯度下细微的组织缺陷很容易萌生微裂纹，特别是硅之类的硬脆材料。

激光熔切加工过程的热影响有：

1.熔切高温过程产生的热影响区内存在较大热应力，会诱使材料本身存在的微细裂纹扩展，造成材料局部碎裂；

2.使工件的切槽表面产生初始微裂纹，受力时应力将集中于微裂纹的尖端；工件在服役时，当外部载荷在其裂纹尖端产生的应力超过材料微裂纹维持现状、不扩展的裂纹扩展阻力，微裂纹将扩展导致工件断裂损坏。

可见激光加工过程的热影响埋下了工件服役时产生低应力脆断的隐患。

因此，随着对激光与材料相互作用机理认识的不断深入，目前激光加工研究的重点之一是激光加工去除材料的同时尽可能的降低激光的热影响，缩小热影响区，以避免出现微裂纹。

发明内容

本发明的目的是设计一种双激光加工水浸工件的方法，采用两种激光，一种为固体激光器产生的波长为1064nm激光，另一种为CO₂气体激光器产生的波长为10640nm激光。两种激光对液体内的工件协同作用，去除预定划切路径的材料，在低于工件材料熔点的温度下完成工件的激光加工。

本发明的另一目的是基于上述本发明双激光加工水浸工件的方法、设计一种双激光加工水浸工件的系统，其包括水箱、其内的工作台，固体激光器的产生的A激光聚焦于工件表面，气体激光器产生的B激光聚焦于工件表面上方，与A激光的聚焦点有一定距离。

本发明设计的一种双激光加工水浸工件的方法，工件浸于水中，固体激光器产生的波长为1064nm的A激光直接聚焦于水中工件表面的划切路径上，在A激光的聚焦点上激光的热作用使工件受热局部软化，但聚焦点的温度低于工件材料的相变温度。1064nm的A激光在水中吸收率很小而在工件中的吸收率较高，因此A激光束的能量主要被工件吸收产生热。

CO₂气体激光器产生的波长为10640nm的B激光的聚焦点处于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦点和A激光的聚焦点之间的距离为(1～4)×10²μm。B激光在水中有很高的吸收率，B激光聚焦点周围的水在其作用下被击穿，击穿的水产生汽蚀空泡和等离子体冲击波，冲击波产生的局部高压作用于工件表面被局部软化的区域，A激光聚焦处的材料软化后强度大大降低，被B激光产生的冲击波的冲击力去除，实现切槽加工。

波长为10640nm的B激光能量密度为25J/cm²～80J/cm²，脉宽10ns～300ns,重复频率20kHz～60kHz；波长为1064nm的A激光能量密度为100J/cm²～300J/cm²,脉宽30ns～100ns,重复频率20kHz～60kHz。

浸于水中的工件表面上方水层厚度为1～3毫米。

基于本发明双激光加工水浸工件的方法、设计的一种双激光加工水浸工件的系统，包括水箱，位于水箱底部的工作台，工作台表面为水平面，工件固定于工作台表面，激光器的激光头位于水箱上方，激光束聚光于工件表面，本系统一台固体激光器的激光头位于水箱上方，其产生波长为1064nm的A激光，A激光束直接聚焦于水中工件表面的划切路径上；另一台CO₂气体激光器的激光头也位于水箱上方，其产生波长为10640nm的B激光，B激光束的聚焦点处于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦点和A激光的聚焦点之间的距离为(1～4)×10²μm。所述A激光束的中心线为铅垂线，B激光束的中心线与A激光束的中心线相交于A激光束在工件表面的聚焦点，二者的交角为10°～30°。

所述工作台为台面高度可调节的工作台。

所述水箱内充满水，工件表面上方水层厚度为1～3毫米。