本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種液體輔助激光加工方法與裝置。

背景技術(shù)：

激光加工利用激光束對材料進(jìn)行微細(xì)加工、切割、焊接及打孔等，應(yīng)用日益廣泛。傳統(tǒng)激光加工在空氣中進(jìn)行干式加工，脈寬較大時，加工常常產(chǎn)生濺射、熔渣、熱影響區(qū)、微裂紋等缺陷，影響了常規(guī)脈沖激光器在高端激光微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)際上，即使是皮秒和飛秒激光加工，由于熱量累積效應(yīng)，大深度干式激光加工仍然會產(chǎn)生不可忽視的熱影響區(qū)，在單晶金屬等熱敏感材料的加工中產(chǎn)生很難克服的質(zhì)量缺陷。

為更好地克服干式激光加工的熱影響，瑞士SYNOVA公司發(fā)明了將激光與層流水相結(jié)合的水導(dǎo)激光微細(xì)加工技術(shù)(參見國際專利WO95/32834)，該技術(shù)將激光通過微小噴嘴耦合進(jìn)層流水柱，空氣中實(shí)現(xiàn)光的全反射傳輸。由于水流的冷卻效應(yīng)，脈沖激光加工時的熱影響得到很好的抑制，還具有對聚焦不敏感的特點(diǎn)，層流水柱可以達(dá)50毫米長，對包括脆性材料在內(nèi)的多類材料的精細(xì)加工獲得成功。水助激光加工的另一類技術(shù)是液核光纖激光加工技術(shù)(參見美國GE公司專利US7211763B2)，該技術(shù)采用中空導(dǎo)管，導(dǎo)管的折射率低于中心的液體介質(zhì)，因此，激光在液體中的傳輸可以全反射，就如固體實(shí)心光纖一樣。該技術(shù)打破了高強(qiáng)度激光能量傳輸極限，光纖可以長300毫米以上，激光功率密度可以超過4GW/cm2，由于是固體管壁約束，光纖可以深入狹小區(qū)域進(jìn)行激光加工。該技術(shù)在空氣中射出水流后等效于SYNOVA技術(shù)，但其固體管壁使其加工更加方便。

上述水助激光加工技術(shù)解決了脈沖激光加工的熱影響難題，但相比干式加工存在一些明顯缺點(diǎn)，即激光耦合的穩(wěn)定性受限于噴嘴直徑，太大直徑，激光強(qiáng)度不足，很難實(shí)現(xiàn)有效加工；直徑過小，激光耦合時容易傷及噴嘴，可靠性不佳。因此，水助激光加工的水束直徑一般在50～200um，加工分辨率低，很難可靠地提高。另外，上述水助激光加工屬于單點(diǎn)加工，加工大面積復(fù)雜形狀時需要搭配三軸、五軸等多軸運(yùn)動臺才能完成，由于質(zhì)量慣性，很難實(shí)現(xiàn)2米/秒以上的掃描速度，短脈沖激光器高頻率的優(yōu)勢很難發(fā)揮出來。相對來講，干式激光加工可以輕易突破20微米量級分辨率，用掃描振鏡實(shí)現(xiàn)10米/秒的掃描速度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案的快速加工。

為解決當(dāng)前水助激光加工可靠性不高、分辨率遭遇瓶頸、加工復(fù)雜度有限等問題，亟需進(jìn)一步革新當(dāng)前的水助激光加工技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，本發(fā)明提供一種具有快速掃描功能的液體輔助激光加工方法，同時提供一種液體輔助激光加工裝置，相對之前的水助激光加工技術(shù)，具備加工分辨率更高、掃描速度更快，可以方便進(jìn)行復(fù)雜圖案加工等優(yōu)點(diǎn)。

一種液體輔助激光加工方法，包括如下步驟：步驟a，激光器發(fā)射激光束，所述激光束被引導(dǎo)到掃描系統(tǒng)中；步驟b，所述激光束被掃描系統(tǒng)改變路徑并聚焦后與液體耦合；步驟c，所述激光束與液體耦合后進(jìn)入噴嘴，與液體一同從噴嘴射出至待加工工件上。

在其中一個實(shí)施例中，步驟a中，激光器發(fā)射激光束前，調(diào)節(jié)激光束焦距，使加工點(diǎn)處于激光束焦點(diǎn)上。

在其中一個實(shí)施例中，還包括步驟d，調(diào)整待加工工件以一定運(yùn)動軌跡運(yùn)動，直至待加工工件得到所需形狀。

一種液體輔助激光加工裝置，包括用于發(fā)射激光束的激光器、光液耦合機(jī)構(gòu)以及與光液耦合機(jī)構(gòu)相連的液體供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置于激光器與光液耦合器之間、且與激光器與光液耦合器相連的掃描系統(tǒng)，所述激光器發(fā)出的激光束進(jìn)入所述掃描系統(tǒng)，由所述掃描系統(tǒng)改變路徑并聚焦后進(jìn)入所述光液耦合機(jī)構(gòu)與液體耦合，最后與液體一起從所述光液耦合機(jī)構(gòu)的噴嘴射出。

在其中一個實(shí)施例中，所述掃描系統(tǒng)為激光振鏡掃描系統(tǒng)，內(nèi)部設(shè)置有至少兩個振鏡片，用于控制激光束在X、Y兩個方向運(yùn)動或者控制激光束在X、Y、Z三個方向運(yùn)動。

在其中一個實(shí)施例中，所述振鏡片為平面反射鏡片或棱鏡鏡片。

在其中一個實(shí)施例中，所述掃描系統(tǒng)的掃描速度為0～1000m/s。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體輔助激光加工裝置還包括固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)，所述固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)置于掃描系統(tǒng)和光液耦合機(jī)構(gòu)之間、且與掃描系統(tǒng)和光液耦合機(jī)構(gòu)連接，所述固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括多向調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)所述光液耦合機(jī)構(gòu)和掃描系統(tǒng)的相對位置。

在其中一個實(shí)施例中，所述多向調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠在X、Y、Z方向和A、B旋轉(zhuǎn)角度方向五個自由度上調(diào)節(jié)光液耦合機(jī)構(gòu)和掃描系統(tǒng)的相對位置；其中，X、Y、A、B四個方向自由度用于使光液耦合機(jī)構(gòu)保持和掃描系統(tǒng)同軸，Z方向自由度用于調(diào)節(jié)光液耦合機(jī)構(gòu)和掃描系統(tǒng)的距離，即調(diào)節(jié)激光束的焦距。

在其中一個實(shí)施例中，所述固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)還包括固定板，所述掃描系統(tǒng)通過所述固定板與所述光液耦合機(jī)構(gòu)連接，所述多向調(diào)整機(jī)構(gòu)與所述固定板連接。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體輔助激光加工裝置還包括固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)，所述固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括固定板，所述掃描系統(tǒng)通過所述固定板與所述光液耦合機(jī)構(gòu)固定連接，形成一個整體。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體輔助激光加工裝置還包括光路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)用于傳導(dǎo)所述激光器發(fā)射的激光束進(jìn)入所述掃描系統(tǒng)。

在其中一個實(shí)施例中，所述光路系統(tǒng)包括光纖或光學(xué)鏡片。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體輔助激光加工裝置還包括液箱系統(tǒng)，所述液箱系統(tǒng)用于匯集液體輔助激光加工后的廢液。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體輔助激光加工裝置還包括用于放置工件的運(yùn)動工作臺，所述運(yùn)動工作臺與光液耦合機(jī)構(gòu)相對并能相對于光液耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)動。

在其中一個實(shí)施例中，所述光液耦合機(jī)構(gòu)還包括窗口片、腔體和供液接頭，所述供液接頭與所述液體供應(yīng)系統(tǒng)相連，激光束能夠透過窗口片進(jìn)入所述腔體，與從供液接頭進(jìn)入的液體在腔體內(nèi)耦合后，一起從噴嘴射出。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體供應(yīng)系統(tǒng)包括壓力罐、泵、氣體壓力發(fā)生器，所述泵和氣體壓力發(fā)生器分別與所述壓力罐相連，所述壓力罐與所述光液耦合機(jī)構(gòu)連通。

在其中一個實(shí)施例中，所述壓力罐上設(shè)置有進(jìn)氣口、進(jìn)液口和出液口，進(jìn)氣口通過氣管與氣體壓力發(fā)生器相連，進(jìn)液口通過管路接頭與泵相連，由泵向壓力罐中泵入液體，出水口通過管路接頭和壓力表、流量計相連，最終通過管路接頭與光液耦合機(jī)構(gòu)連接。

在其中一個實(shí)施例中，所述液體輔助激光加工裝置的液體為滿足導(dǎo)光要求的純凈水、酸溶液、堿溶液或鹽水。

在其中一個實(shí)施例中，所述噴嘴可拆卸地設(shè)置于所述光液耦合機(jī)構(gòu)上。

在其中一個實(shí)施例中，所述噴嘴的截面形狀為圓形，噴嘴內(nèi)徑范圍為0.5mm～10mm。

在其中一個實(shí)施例中，所述噴嘴的截面形狀為矩形。

在其中一個實(shí)施例中，所述激光器為355～1064納米波長。

上述液體輔助激光加工裝置激光器與光液耦合器之間設(shè)置掃描系統(tǒng)，具有掃描功能，噴嘴直徑可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光光斑直徑，滿足掃描加工激光束的傳輸要求，一定壓力的液體順著噴嘴噴出，形成聚焦激光束的水流包容，激光的聚焦特性不依賴于光纖或等效光纖的全反射，而是液體介質(zhì)中的聚焦和局部掃描，因此，干式加工中能實(shí)現(xiàn)的各種大小分辨率，通過該液體輔助激光加工裝置在該技術(shù)下也能實(shí)現(xiàn)；干式掃描中能實(shí)現(xiàn)的掃描速度得以保持，同時得到水流冷卻和沖刷的幫助，有助于保持光學(xué)通道。

附圖說明

圖1為本發(fā)明液體輔助激光加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明液體輔助激光加工裝置的噴嘴截面形狀示意圖；

圖3為本發(fā)明液體輔助激光加工裝置和方法加工的圓孔(左)和傳統(tǒng)激光空氣中加工的圓孔(右)的對比圖。

具體實(shí)施方式

參閱圖1，本發(fā)明液體輔助激光加工裝置，其包括激光器11、光路系統(tǒng)21、掃描系統(tǒng)31、光液耦合機(jī)構(gòu)、固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)51、液體供應(yīng)系統(tǒng)、運(yùn)動工作臺71、和液箱系統(tǒng)。本發(fā)明液體輔助激光加工裝置的液體可以為滿足導(dǎo)光要求的水、酸溶液、堿溶液或鹽水等，本發(fā)明較佳實(shí)施例的液體優(yōu)選為純凈水，因此光液耦合機(jī)構(gòu)為光水耦合機(jī)構(gòu)41，液體供應(yīng)系統(tǒng)為水供應(yīng)系統(tǒng)60，液箱系統(tǒng)為水箱系統(tǒng)81。

激光器11用于產(chǎn)生激光束12，激光器11為355～1064納米波長，任意脈寬，優(yōu)選532納米綠光。

光路系統(tǒng)21由光纖或者光學(xué)鏡片組成，用于傳導(dǎo)激光束12進(jìn)入掃描功能系統(tǒng)31。為了減少激光的傳輸損失，激光器11和掃描功能系統(tǒng)31也可以直接相連，激光器11發(fā)出的激光束12直接傳導(dǎo)入掃描系統(tǒng)31，無需設(shè)置光路系統(tǒng)21。

掃描系統(tǒng)31為激光振鏡掃描系統(tǒng)，激光束12進(jìn)入掃描系統(tǒng)31，由掃描系統(tǒng)31改變路徑并聚焦后進(jìn)入光液耦合機(jī)構(gòu)與液體耦合。掃描系統(tǒng)31內(nèi)部設(shè)置有至少兩個振鏡片，振鏡片可以為平面反射鏡或棱鏡，用于控制激光束12在X、Y兩個方向運(yùn)動或者控制激光束12在X、Y、Z三個方向運(yùn)動。優(yōu)選為兩個平面反射鏡片，通過內(nèi)部的兩個反射鏡片高速沿軸旋轉(zhuǎn)，按要求改變激光束12的路徑。掃描系統(tǒng)可以做低速掃描或高速掃描，其掃描速度可以為0～1000m/s。

光水耦合機(jī)構(gòu)41包括水腔體43，水腔體43上設(shè)置上蓋板46，上蓋板46通過螺柱47與水腔體43的外壁連接固定，上蓋板46上設(shè)置窗口片，窗口片為玻璃片42，水腔體43側(cè)面設(shè)置供水接頭44與水供應(yīng)系統(tǒng)連接，在水腔體底部設(shè)置噴嘴45。激光束12透過玻璃片42進(jìn)入光水耦合機(jī)構(gòu)41與從供水接頭44進(jìn)入的水在水腔體43耦合后，一起從噴嘴45處噴射出。

固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)51設(shè)置于掃描系統(tǒng)31和光液耦合機(jī)構(gòu)41之間、且與掃描系統(tǒng)31和光液耦合機(jī)構(gòu)41連接，其包括固定板53和多向調(diào)整機(jī)構(gòu)。掃描系統(tǒng)31通過固定板53與光水耦合機(jī)構(gòu)41連接，多向調(diào)整機(jī)構(gòu)與固定板連接。其中，多向調(diào)整機(jī)構(gòu)包括X方向、Y方向、Z方向調(diào)整機(jī)構(gòu)52和A、B旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)54，X、Y、Z、A、B五個自由度用于調(diào)節(jié)光水耦合機(jī)構(gòu)41和掃描系統(tǒng)31的相對位置，其中X、Y、A、B四個自由度用于使光水耦合機(jī)構(gòu)41保持和掃描系統(tǒng)31同軸，Z方向自由度用于調(diào)節(jié)光水耦合機(jī)構(gòu)41和掃描系統(tǒng)31的距離，即可以調(diào)節(jié)激光束的焦距。

為了使本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)和體積更為緊湊，掃描系統(tǒng)31、光水耦合機(jī)構(gòu)41、固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)51可以是一個整體，或者將結(jié)構(gòu)參數(shù)固化并選取最優(yōu)值后，省去固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)51中的多向調(diào)整機(jī)構(gòu)。

水供應(yīng)系統(tǒng)60由壓力罐61、水泵62、氣體壓力發(fā)生器63、壓力表64、流量計65、水管接頭69組成。壓力罐61上布置有進(jìn)氣口66、進(jìn)水口67、出水口68。進(jìn)氣口66通過氣管70和氣體壓力發(fā)生器63相連。進(jìn)水口67通過水管接頭69和水泵62相連，由水泵62向壓力罐61中泵入水。出水口68通過水管接頭69和壓力表64、流量計65相連，最終通過水管接頭69和光水耦合機(jī)構(gòu)41的供水接頭44連接。

運(yùn)動工作臺71和待加工工件72連接，帶動待加工工件72按照設(shè)置的運(yùn)動軌跡運(yùn)動。

水箱系統(tǒng)81包含水箱和排水口，用于匯集液體輔助激光加工后的廢水并排除。

在本實(shí)施例中，噴嘴可以進(jìn)行調(diào)整和更換，可以更換為不同內(nèi)徑和截面形狀的噴嘴，噴嘴部分的形狀可以自動化進(jìn)行調(diào)整。如圖2所示，噴嘴45的截面形狀可以為圓型截面形狀95，優(yōu)選地，噴嘴內(nèi)徑為0.5mm～10mm。由于噴嘴的內(nèi)徑一般使用時選取較大的2mm～10mm，所以光水耦合的難度遠(yuǎn)低于基于小噴嘴耦合的水助激光加工技術(shù)，可以長期保持整個系統(tǒng)的可靠性。對比地，目前的水助激光加工由于依賴全反射效應(yīng)，光纖或等效光纖的直徑一般在200微米以內(nèi)，以保證足夠的激光強(qiáng)度。掃描振鏡31控制激光束12在圓形截面形狀91內(nèi)填充掃描一個異型圖形96。

如圖2所示，噴嘴45的截面形狀還可以為正方形截面形狀93。掃描功能系統(tǒng)31控制激光束12在正方形截面形狀93內(nèi)填充掃描一個三角圖形94。

如圖2所示，噴嘴45的截面形狀還可以為長方形截面形狀91，長方形可以是狹縫形狀。掃描功能系統(tǒng)31控制激光束12在長方形截面形狀95內(nèi)填充掃描一個長方形圖形92。

上述液體輔助激光加工裝置的加工方法，包括如下步驟：

(1)在加工待加工工件72前調(diào)節(jié)固定調(diào)焦機(jī)構(gòu)51，使液體輔助激光加工裝置的焦距調(diào)整到合適的位置并固定下來。

(2)正式開始加工工件，運(yùn)動工作臺71連接待加工工件72并運(yùn)動到所需要加工的位置，同時使加工點(diǎn)處于液體輔助激光的焦點(diǎn)上。

(3)水供應(yīng)系統(tǒng)60開始工作，具有一定壓力的水進(jìn)入光水耦合機(jī)構(gòu)41的水腔體，從噴嘴處以層流的形式噴射出。

(4)激光器11開始工作，激光束經(jīng)過光路系統(tǒng)21進(jìn)入掃描系統(tǒng)31，從掃描系統(tǒng)31射出的激光束透過光液耦合機(jī)構(gòu)41的玻璃片42進(jìn)入水腔體43與液體耦合后從噴嘴45處射出。

(5)掃描系統(tǒng)31控制內(nèi)部的多個振鏡片動作，使激光在噴嘴截面內(nèi)快速掃描進(jìn)行激光加工。

(6)運(yùn)動工作臺71連接待加工工件以一定的運(yùn)動軌跡運(yùn)動，直至加工工件得到所需要的形狀。

如圖3所示，使用本裝置與方法加工的圓孔(左側(cè))和傳統(tǒng)激光空氣中加工的圓孔(右側(cè))對比如圖所示，可以看到本裝置與方法加工的圓孔邊緣齊整、弧度準(zhǔn)確、幾乎無熱影響區(qū)，而傳統(tǒng)激光空氣中加工的圓孔有熔渣和熱變形。

本實(shí)施例中，從噴嘴射出的水束不再作為水束光纖，激光的聚焦特性不依賴于水束的全反射，因此激光全反射噴嘴直徑可以設(shè)置較大尺寸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光光斑直徑，如0.5-10mm直徑噴嘴出口，滿足掃描加工激光束的傳輸要求。一定壓力的液體順著噴嘴噴出，形成聚焦激光束的水流包容，激光的聚焦特性不依賴于水束的全反射，而是液體介質(zhì)中的聚焦和局部掃描，因此，干式加工中能實(shí)現(xiàn)的各種大小分辨率，在本實(shí)施例中也能實(shí)現(xiàn)；干式掃描中能實(shí)現(xiàn)的掃描速度得以保持，同時在水流冷卻和沖刷的作用下，能夠保持光學(xué)通道，大大減小熱影響區(qū)。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。