[發(fā)明專利]一種雙激光加工水浸工件的方法和系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105728954B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設計）人: 劉清原;龍芋宏;周嘉;鮑家定;毛建東;劉鑫;唐文斌
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: B23K26/362
• 分類號: B23K26/362;B23K26/402;B23K26/122;B23K26/14
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司45107
• 代理人: 歐陽波

技術領域

本發(fā)明涉及液體輔助激光加工技術，具體為一種雙激光加工水浸工件的方法和系統(tǒng)。

背景技術

激光加工作為微損且精密的加工手段在微尺度加工領域的應用越來越廣泛。激光加工大多是利用激光的熱效應，使材料局部受熱達到熔點熔融，從而去除部分材料，完成切槽的刻蝕加工。

各種材料都無法避免存在一定細微的組織缺陷。在激光加熱改變局部材料狀態(tài)、去除材料的過程中，激光加工過程的高溫使切槽周圍一定的區(qū)域內(nèi)不可避免地受到熱影響。材料在局部高熱產(chǎn)生的應力梯度下細微的組織缺陷很容易萌生微裂紋，特別是硅之類的硬脆材料。

激光熔切加工過程的熱影響有：

1.熔切高溫過程產(chǎn)生的熱影響區(qū)內(nèi)存在較大熱應力，會誘使材料本身存在的微細裂紋擴展，造成材料局部碎裂；

2.使工件的切槽表面產(chǎn)生初始微裂紋，受力時應力將集中于微裂紋的尖端；工件在服役時，當外部載荷在其裂紋尖端產(chǎn)生的應力超過材料微裂紋維持現(xiàn)狀、不擴展的裂紋擴展阻力，微裂紋將擴展導致工件斷裂損壞。

可見激光加工過程的熱影響埋下了工件服役時產(chǎn)生低應力脆斷的隱患。

因此，隨著對激光與材料相互作用機理認識的不斷深入，目前激光加工研究的重點之一是激光加工去除材料的同時盡可能的降低激光的熱影響，縮小熱影響區(qū)，以避免出現(xiàn)微裂紋。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是設計一種雙激光加工水浸工件的方法，采用兩種激光，一種為固體激光器產(chǎn)生的波長為1064nm激光，另一種為CO₂氣體激光器產(chǎn)生的波長為10640nm激光。兩種激光對液體內(nèi)的工件協(xié)同作用，去除預定劃切路徑的材料，在低于工件材料熔點的溫度下完成工件的激光加工。

本發(fā)明的另一目的是基于上述本發(fā)明雙激光加工水浸工件的方法、設計一種雙激光加工水浸工件的系統(tǒng)，其包括水箱、其內(nèi)的工作臺，固體激光器的產(chǎn)生的A激光聚焦于工件表面，氣體激光器產(chǎn)生的B激光聚焦于工件表面上方，與A激光的聚焦點有一定距離。

本發(fā)明設計的一種雙激光加工水浸工件的方法，工件浸于水中，固體激光器產(chǎn)生的波長為1064nm的A激光直接聚焦于水中工件表面的劃切路徑上，在A激光的聚焦點上激光的熱作用使工件受熱局部軟化，但聚焦點的溫度低于工件材料的相變溫度。1064nm的A激光在水中吸收率很小而在工件中的吸收率較高，因此A激光束的能量主要被工件吸收產(chǎn)生熱。

CO₂氣體激光器產(chǎn)生的波長為10640nm的B激光的聚焦點處于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦點和A激光的聚焦點之間的距離為(1～4)×10²μm。B激光在水中有很高的吸收率，B激光聚焦點周圍的水在其作用下被擊穿，擊穿的水產(chǎn)生汽蝕空泡和等離子體沖擊波，沖擊波產(chǎn)生的局部高壓作用于工件表面被局部軟化的區(qū)域，A激光聚焦處的材料軟化后強度大大降低，被B激光產(chǎn)生的沖擊波的沖擊力去除，實現(xiàn)切槽加工。

波長為10640nm的B激光能量密度為25J/cm²～80J/cm²，脈寬10ns～300ns,重復頻率20kHz～60kHz；波長為1064nm的A激光能量密度為100J/cm²～300J/cm²,脈寬30ns～100ns,重復頻率20kHz～60kHz。

浸于水中的工件表面上方水層厚度為1～3毫米。

基于本發(fā)明雙激光加工水浸工件的方法、設計的一種雙激光加工水浸工件的系統(tǒng)，包括水箱，位于水箱底部的工作臺，工作臺表面為水平面，工件固定于工作臺表面，激光器的激光頭位于水箱上方，激光束聚光于工件表面，本系統(tǒng)一臺固體激光器的激光頭位于水箱上方，其產(chǎn)生波長為1064nm的A激光，A激光束直接聚焦于水中工件表面的劃切路徑上；另一臺CO₂氣體激光器的激光頭也位于水箱上方，其產(chǎn)生波長為10640nm的B激光，B激光束的聚焦點處于工件上方，即位于水中，B激光的聚焦點和A激光的聚焦點之間的距離為(1～4)×10²μm。所述A激光束的中心線為鉛垂線，B激光束的中心線與A激光束的中心線相交于A激光束在工件表面的聚焦點，二者的交角為10°～30°。

所述工作臺為臺面高度可調(diào)節(jié)的工作臺。

所述水箱內(nèi)充滿水，工件表面上方水層厚度為1～3毫米。