[发明专利]一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法

说明书

本发明提供了一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，将工件浸于水中，使工件表面覆盖有水层，激光束透过所述水层聚焦于工件表面，以一定的速度扫描于所述工件的表面，在所述激光束的作用下，所述工件的表面产生群空泡，所述群空泡溃灭产生高压水射流，所述高压水射流作用于所述工件的表面，所述工件的表面被所述高压水射流作用的位置处材料被所述高压水射流冲蚀去除，最终形成超微孔。本发明能够通过单个激光脉冲诱导产生群空泡实现群孔加工，并且本发明为冷加工，基体材料组织和力学性能不变。

技术领域

本发明涉及激光微加工领域，尤其涉及一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法。

背景技术

具有群微孔的工件在工业、食品和生物医学上具有很广泛的应用。例如在汽车制造工业中燃油过滤器的群孔；在商用飞机尾鳍的外皮上制造孔洞可以减少空气涡流，从而减小风阻；在航空航天制造业和半导体工业的空气轴承上也具有微孔结构；在医药卫生，食品等行业通过微孔膜过滤分离液体；在医学上通过高密度群微孔对细胞进行过滤。目前加工微孔结构的方法主要有电火花加工、电子束加工、激光加工等。上述方法在制造10µm以下的微孔均具有一定的难度，并不能简单快速有效经济的加工制造出群微孔。

近年来，随着激光技术和激光加工技术的发展，微孔的制造工艺也得到了发展，人们通过改变激光加工环境得到了加工质量更高的微孔，在水下激光打孔也成为了新的研究方向。现有的水下激光打孔，其本质物理过程仍旧是激光直接烧蚀材料表面，去除材料形成微孔，在此过程中，水的作用为：通过水流动，减少热效应，或者水流动去除熔渣。《现代制造工程》（2017年第七期1-5）中“水下纳秒激光微孔加工实验研究”一文对比了空气与水环境中的微孔加工质量，发现水环境可以有效减少熔渣再沉积，获得更好质量的微孔，但是由于激光烧蚀仍是主要的打孔机理，因此孔径的尺寸由光斑直径决定，孔的直径为94µm-97µm，由于光束质量和光衍射极限的存在，并不能制造孔径为10µm以下的微孔。

综上所述，目前无论在空气中，还是在水中，孔的形成机制主要还是基于激光烧蚀，孔大小主要由激光光斑尺寸决定，由于光束质量和衍射极限的限制，很难加工10μm以下的超微孔。此外，在烧蚀过程中，不可避免产生热效应，目前激光打孔技术孔周材料组织和性能可能会发生不需要的负面变化。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，能够在工件上加工超微孔。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于激光诱导空泡溃灭水射流制造超微群孔的方法，将工件浸于水中，使所述工件表面覆盖有水层，激光束透过所述水层聚焦于所述工件表面，以一定的速度扫描于所述工件的表面，在所述激光束的作用下，所述工件表面产生群空泡，所述群空泡溃灭产生高压水射流，所述高压水射流作用于所述工件的表面，所述工件的表面被所述高压水射流作用的位置处材料被所述高压水射流冲蚀去除，最终形成超微孔。

优选地，所述激光束的重复频率为2KHz~50KHz，脉冲宽度为5ns~200ns，输出功率为0.8W~10W，扫描速度0.05mm/s-5mm/s。

优选地，所述激光束聚焦于工件表面的光斑直径为40μm-60μm，相邻扫描线的间距为8µm-15µm。

优选地，所述工件表面覆盖的水层的厚度为0.5mm~3mm。

优选地，所述工件为超薄靶材，所述方法用于在超薄靶材上制造通孔。

优选地，所述空泡的直径范围为5µm~300µm。

优选地，所述高压水射流的冲击压强大于所述工件屈服强度区域的直径范围为0.5µm~20µm。

优选地，所述激光束的单个光斑可诱导空泡数量为5个~20个。

本发明的有益效果：