一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置及方法，其特點在于利用手搖輪和直線導軌來確定噴嘴相對于陶瓷表面的最佳位置以及合理改進激光的掃描路徑，最后用激光和水射流共同加工陶瓷。本發(fā)明涉及到的加工方法主要分為四步：(1)確定陶瓷尺寸及加工位置；(2)確定激光系統工藝參數和水射流系統工藝參數；(3)確定激光掃描速度和掃描路徑；(4)激光和水射流按照掃描路徑進行刻蝕加工。通過本發(fā)明所提供的裝置及方法，可以實現在陶瓷表面刻蝕出所需的凹槽，并且凹槽表面沒有明顯的熔渣、重鑄層等等。
【專利說明】一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置及方法

【技術領域】
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[0001]本發(fā)明涉及激光加工的應用領域，具體為一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置及方法。

【背景技術】
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[0002]陶瓷具有優(yōu)良的高溫力學性能，抗氧化性強、耐磨損性好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數小、熱導率大、硬度高以及抗熱震和耐化學腐蝕等優(yōu)良性能。它在石油化學工業(yè)、宇航和汽車工業(yè)等領域中備受青睞，這些領域有的需要在陶瓷表面刻圓槽，有的需要在其表面打圓孔。但是，由于陶瓷的高硬脆性，常規(guī)的機械加工存在刀具磨損嚴重，加工表面粗糙等缺陷，而采用電火花、超聲波等特種加工時，依然存在效率低的缺點。
[0003]激光加工是指把激光照射到工件上，通過高度聚集的光能轉變成熱能，使被加工部位熔融和蒸發(fā)，實現材料去除的過程，它被譽為“萬能加工工具”。激光刻蝕技術作為激光加工技術中的一種，它使得激光刻蝕陶瓷這類難加工材料變成了現實，但由于激光加工主要是利用高密度能量通過熔化、蒸發(fā)和噴射來實現材料加工，因而材料表面會存在比較嚴重的再鑄層和不可避免的殘余熱應力和微裂紋，影響了材料的表面加工質量。


【發(fā)明內容】

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[0004]基于激光刻蝕陶瓷過程中存在的各種問題，本發(fā)明通過引入水射流技術，利用水射流-激光刻蝕陶瓷的新方法，以期去除陶瓷表面的熔渣、并降低再鑄層厚度、減少熱影響區(qū)等等，從而提尚加工表面的質量。
[0005]本發(fā)明所述一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置及方法，該裝置包括:
[0006](I)激光系統；
[0007](2)水射流系統。
[0008]在本發(fā)明中，所述激光系統的脈沖激光電流強度為150±50A，脈沖寬度為
0.6+0.2ms，脈沖頻率為30 ± 1Hz，掃描速度為0.8±0.2mm/s。
[0009]在本發(fā)明中，所述水射流系統通過安裝在噴嘴上的醫(yī)用針頭噴出水射流束，醫(yī)用針頭直徑為0.9mm,噴嘴位置由手搖輪和直線導軌調節(jié)。
[0010]在本發(fā)明中，逆時針轉動手搖輪，可以通過支撐桿增加噴嘴與加工位置的垂直距離；順時針轉動手搖輪，可以通過支撐桿減小噴嘴與加工位置的垂直距離。
[0011]在本發(fā)明中，滑動直線導軌可以改變噴嘴與加工位置的水平距離。
[0012]在本發(fā)明中，調節(jié)手搖輪和直線導軌，水射流束與激光束的角度為45± 15°，水射流束的流速為16±4m/s。
[0013]在本發(fā)明中，根據所述的裝置進行水射流-激光刻蝕陶瓷的方法，包括以下步驟:
[0014](I)確定陶瓷尺寸及加工位置；
[0015](2)確定激光系統工藝參數和水射流系統工藝參數；
[0016](3)確定激光掃描速度和掃描路徑；
[0017](4)激光和水射流按照掃描路徑進行刻蝕加工。
[0018]在本發(fā)明中，所述水射流束和激光束同時加工陶瓷。
[0019]在本發(fā)明中，所述掃描路徑為直線型或者環(huán)形，在橫向進給時，激光束只空走，而不發(fā)送脈沖。
[0020]本發(fā)明具有的有益效果:
[0021](I)水射流裝置簡單，成本低，加工過程中沒有化學液體參與，對環(huán)境污染??；
[0022](2)水射流的沖刷作用能夠有效減少陶瓷表面熔渣、降低再鑄層厚度，水射流的冷卻作用能夠顯著縮小熱影響區(qū)；
[0023](3)利用水射流-激光刻蝕陶瓷技術，能夠在陶瓷表面刻蝕出加工表面質量良好的凹槽。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0024]圖1為本發(fā)明加工方法所需的裝置結構圖。
其中:1、工作臺；2、陶瓷片3、激光頭；4、輔助氣體氧氣；5、激光束；6、水射流束；7、反射鏡；8、醫(yī)用針頭；9、噴嘴；10、手搖輪；11、支撐桿；12、噴槍；13、直線導軌；14、泵；15、水管；16、水箱；17、V帶；18、電動機
[0025]圖2為本發(fā)明實施一種水射流-激光刻蝕陶瓷的加工方法流程圖。
[0026]圖3為本發(fā)明實施的激光掃描路徑為直線型路徑。
其中:1、掃描路徑開始點；2、掃描路徑結束點
[0027]圖4為本發(fā)明實施的激光掃描路徑為環(huán)型路徑。
其中:1、掃描路徑開始點；2、掃描路徑結束點

【具體實施方式】
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[0028]為了使本發(fā)明能夠更加清晰地表示出來，下面結合附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
[0029]如圖1所示，包括激光系統和水射流系統，激光系統是主體，激光束(5)的燒蝕作用能夠在陶瓷表面刻蝕出相應的凹槽，水射流系統起輔助作用，水射流束出)的沖蝕作用有效地減少刻槽表面的熔渣。
[0030]激光系統的脈沖激光電流強度為150+50A，脈沖寬度為0.6+0.2ms，脈沖頻率為30 ± 1Hz，掃描速度為0.8±0.2mm/s，激光刻蝕陶瓷深度為納米級，所需激光系統的工藝參數不能過大。
[0031]水射流系統通過安裝在噴嘴(9)上的醫(yī)用針頭(8)噴出水射流束(6)，醫(yī)用針頭
(8)直徑為0.9_，噴嘴(9)位置由手搖輪(10)和直線導軌(13)調節(jié)。
[0032]逆時針轉動手搖輪(10)，可以通過支撐桿(11)增加噴嘴(9)與加工位置的垂直距離；順時針轉動手搖輪(10)，可以通過支撐桿(11)減小噴嘴(9)與加工位置的垂直距離。
[0033]滑動直線導軌(13)，可以改變噴嘴(9)與加工位置的水平距離。
[0034]調節(jié)手搖輪(10)和直線導軌(13)，使得水射流束(6)與激光束(5)的角度為45±15°，水射流束(6)的流速為1644m/s。
[0035]如圖2所示，一種水射流-激光刻蝕陶瓷的方法，包括以下步驟:(I)確定陶瓷尺寸及加工位置；(2)確定激光系統工藝參數和水射流系統工藝參數；(3)確定激光掃描速度和掃描路徑；(4)激光和水射流按照掃描路徑進行刻蝕加工。
[0036]水射流束(6)和激光束(5)同時加工陶瓷。
[0037]掃描路徑為直線型或者環(huán)形，在橫向進給時，激光束(5)只空走，而不發(fā)送脈沖，圖3直線型掃描路徑具體為:激光在縱向走完直線之后，關斷激光，再橫向進給一個行間距，然后開啟激光重新進行掃描加工，如此重復進行，直至掃描結束，圖4環(huán)形路徑具體為:激光從外向內掃描，掃描完最外面環(huán)形，關斷激光，再橫向進給一個行間距，然后開啟激光重新進行掃描加工，如此重復進行，直至掃描結束。
[0038]一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置及方法，以碳化硅陶瓷為例，具體步驟:
[0039](I)確定陶瓷尺寸及加工位置:
[0040]選擇碳化娃陶瓷片，陶瓷片尺寸為30x30x2mm，把陶瓷片固定在工作臺(I)上的合理位置，使得加工位置恰好為陶瓷片(2)的正中心。
[0041](2)確定激光系統工藝參數和水射流系統工藝參數:
[0042]正常啟動空氣開關和激光器開光，激光器為500W的Nd3+:YAG激光器，把激光器的電流強度調為150A，脈沖寬度調為0.6ms，脈沖重復頻率調為30Hz。
[0043]逆時針轉動手搖輪(10)，可以通過支撐桿(11)增加噴嘴(9)與加工位置的垂直距離，使得垂直距離為50cm;滑動直線導軌(13)，可以改變噴嘴(9)與加工位置的水平距離，使得水平距離為50cm。
[0044]開啟水射流系統開關，使得電動機正常運轉，通過調節(jié)泵(14)的壓力，經過多次實驗，最終把水射流流速確定為16m/s，水射流束(6)與激光束(5)的角度為45°。
[0045](3)確定激光掃描速度和掃描路徑；
[0046]選擇激光刻蝕的掃描速度為0.8mm/s,掃描路徑為直線型，如圖3所示，或者掃描路徑為環(huán)形，如圖4所示。
[0047](4)激光和水射流按照掃描路徑進行刻蝕加工。
[0048]在水箱(16)中加入足夠的水，啟動電動機(18)和激光器，激光按照預定的路徑進行掃描。
[0049]加工過程結束。
[0050]通過上述步驟可以方便的完成碳化硅陶瓷片的凹槽加工，通過水射流系統的設置，既提高了刻蝕的速率，也提高了產品的表面加工質量。
[0051]以上所述僅表達了本發(fā)明的一種實施方式，其表述比較詳細，但是不可以理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。需要說明的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以作任何形式的修改。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置，其特征在于，包括激光系統和水射流系統。
2.根據權利要求1所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置，其特征在于，所述激光系統的脈沖激光電流強度為150±50A，脈沖寬度為0.6±0.2ms，脈沖頻率為30±10Hz，掃描速度為 0.8±0.2mm/so
3.根據權利要求1所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置，其特征在于，所述水射流系統通過安裝在噴嘴(9)上的醫(yī)用針頭(8)噴出水射流束(6)，醫(yī)用針頭(8)直徑為0.9mm，噴嘴位置由手搖輪(10)和直線導軌(13)調節(jié)。
4.根據權利要求1所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置，其特征在于，逆時針轉動手搖輪(10)，可以通過支撐桿(11)增加噴嘴(9)與加工位置的垂直距離；順時針轉動手搖輪(10)，可以通過支撐桿(11)減小噴嘴(9)與加工位置的垂直距離。
5.根據權利要求1所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置，其特征在于，滑動直線導軌(13)，可以改變噴嘴(9)與加工位置的水平距離。
6.根據權利要求1所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的裝置，其特征在于，調節(jié)手搖輪(10)和直線導軌(13)，水射流束(6)與激光束(5)的角度為45±15°，水射流束(6)的流速為 16±4m/s。
7.根據權利要求1所述的裝置進行水射流-激光刻蝕陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步驟:(I)確定陶瓷尺寸及加工位置；(2)確定激光系統工藝參數和水射流系統工藝參數；(3)確定激光掃描速度和掃描路徑；(4)激光和水射流按照掃描路徑進行刻蝕加工。
8.根據權利要求7所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的方法，其特征在于，所述水射流束(6)和激光束(5)同時加工陶瓷。
9.根據權利要求7所述的水射流-激光刻蝕陶瓷的方法，其特征在于，所述掃描路徑為直線型或者環(huán)形，在橫向進給時，激光束(5)只空走，而不發(fā)送脈沖。
【文檔編號】B23K26/362GK104493365SQ201410796347
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權日:2014年12月15日
【發(fā)明者】謝兵兵, 袁根福, 張大明, 陸平衛(wèi) 申請人:江南大學