一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置

1.本发明涉及激光等离子体加工技术领域，具体涉及一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置。


背景技术：

2.随着高硬度、大脆性、低断裂等硬脆材料的不断涌现，传统的加工方法对硬脆材料的加工都有一定的局限性，常规切削方法由于刀具磨损等问题，加工工艺受到限制；电火花加工因其微电极制造困难、加工效率低等问题阻碍了在工业上的使用；常规激光加工因其光热作用，会产生热影响区、并伴有熔渣，导致加工质量难以保证，而且热影响区会影响材料原有的机械性能。由于工业领域对高精密零部件的尺寸与形状存在较高的精度要求，因此，采用传统的方法加工硬脆材料远不能满足材料高精密加工的需求。
3.激光诱导等离子体加工是一种高分辨率、高精度、无工具的加工方法。在激光诱导等离子体加工中，工件浸没在透明的静态或动态液体中，光束聚焦在工件表面上方，激光击穿电介质，产生等离子体，超过工件材料的熔化和汽化温度，从而达到去除材料的目的。激光诱导等离子体加工在微纳制造领域应用前景巨大, 在保证分辨率和加工精度的同时，可以获得更高的材料去除率和更大的深宽比，是一种新型可靠的硬脆材料加工工艺。
4.现有的激光诱导等离子体加工通常是将激光聚焦在工件上方的静态水层之中，但是在加工过程中，由于运动平台的运动将会导致水层的晃动，对水层中激光的聚焦产生影响，造成等离子体的产生不稳定，影响工件的加工质量和加工精度。为了保证水层的稳定性，需要使用较低的扫描速度，但是较低扫描速度势必会降低加工效率，限制这项技术的应用范围。此外，在加工的过程中会产生大量的熔渣和气泡不能被有效的排出，阻碍激光在水中的传播，造成激光功率的损失，加工深度受到限制。
5.基于上述不足，如能解决激光诱导等离子加工过程中工件表面水层晃动导致的激光聚焦稳定性差、熔渣和气泡不能及时排出等问题，可有效提高激光诱导等离子加工的加工质量和加工精度，推进激光诱导等离子体加工技术在高精度、高效率加工领域的推广。


技术实现要素：

6.本发明提出的一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置，将激光束耦合进入流动的水射流，不需在工件表面生成静态水层，避免在加工过程中由于水层的晃动而导致激光束聚焦稳定性差，影响等离子体的生成；使用高速和大直径水射流将热量、空化气泡和烧蚀材料排出加工区域，有效提高加工质量、加工效率和加工精度。
7.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：一种水射流辅助激光诱导等离子体加工装置，由光路系统、耦合单元、液压系统、工作台单元构成；光路系统由激光器，扩束镜、准直镜、聚焦镜构成；耦合单元由耦合腔体、光学窗口、喷嘴构成；液压系统由水箱、高压吸水泵、单向阀、蓄能器、溢流阀、高精密过滤器
构成；工作台单元由支撑平台、水槽、夹具构成。
8.上述方案中，一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法，激光由激光器出射，经扩束准直后聚焦进入耦合单元，耦合单元由液压系统输入高压水流，在耦合腔内形成厚度为1-2mm的水层，经喷嘴出射形成动态水射流，激光焦点位置位于水射流内部，焦点处的激光强度超过水的击穿阈值，从而在水射流中产生等离子体，膨胀等离子体径向传播产生的激波与等离子体接触材料的热气化综合效应去除材料，完成工件材料加工。本发明中选用激光器，脉冲宽度10ns；激光单脉冲能量的选择范围为2-8mj；激光脉冲频率的选择范围为1-10khz；加工速度的选择范围为4-10mm/s；水射流速度选择范围为1-6m/s；水射流直径选择范围为1-2mm。
9.本发明与现有的激光诱导等离子体加工技术相比，激光束与水射流同轴耦合，聚焦于水射流之中，在焦点区域生成等离子体，不需要在工件上方生成静态水层，避免加工过程中因平台运动造成的水层晃动而降低激光聚焦稳定性，从而影响等离子体的生成。同时，高速水射流可及时将加工过程中产生的热量、气泡和熔渣排出加工区域，降低激光能量损失，提高加工质量和加工效率。
10.一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法，采用上述水射流辅助激光诱导等离子体加工装置，包括如下步骤：1）将工件装夹于工作台单元对应的工作位；2）启动液压系统向耦合单元输送高压水，耦合单元将高压水转化为稳定水射流输出；3）激光束由激光器出射，经扩束准直后聚焦进入耦合单元；4）激光束与水射流耦合，焦点位于工件上方，形成水的光学击穿产生等离子体，膨胀等离子体径向传播产生的激波与等离子体接触材料的热气化综合效应去除材料；5）同轴高速水射流将加工过程中产生的热量、气泡和熔渣等及时排出加工区域；6）加工完毕后依次关闭激光器和液压系统，完成加工。
11.一种水射流辅助激光诱导等离子体加工装置，包括依次设置的光路系统、耦合单元、工作台单元、液压系统；所述光路系统实现激光束的发射及对准聚焦；所述耦合单元实现聚焦激光与水射流的耦合，并由液压系统输入稳定的无级调压的高压水流；所述耦合单元的输出端设置工作台单元，工作台单元包括支撑平台，安装于支撑平台上用于放置工件的水槽和夹具；所述液压系统的进水端连接水槽，出水端连接至耦合单元提供稳定的无级调压的高压水流。
12.本发明的优点与效果是：1、本发明所述的一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置，相较于现有的激光诱导等离子体加工方法，不需在工件表面生成静态水层，直接将激光耦合进入同轴水射流，高功率密度的激光在焦点区域击穿水，产生等离子体，避免现有加工方法及装置中因为加工过程中水层晃动而影响聚焦稳定性和等离子体的生成，提高加工质量和加工精度。
13.2、本发明所述的一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置，将激光与高速、大直径水射流耦合，高速水射流可以及时将加工过程中产生的空化气泡和熔渣去除，避免由于气泡和熔渣对激光的散射作用而造成激光能量的损失。同时，高速水射流能够及时
带走工件表面的热量，有效冷却工件。
附图说明
14.图1为具体实施方式中的水射流辅助激光诱导等离子体加工原理示意图；图2为具体实施方式中的喷嘴结构示意图；图3为具体实施方式中的激光诱导生成等离子体示意图；图4为具体实施方式中的激光诱导等离子体去除材料机制示意图。
15.图号标识：1、光路系统，11、激光器， 12、扩束镜，13、准直镜，14、聚焦透镜；2、耦合单元，21、光学窗口，22 、耦合腔体，23、喷嘴；3、工作台单元，31、支撑平台，32、水槽，33、夹具，34、工件；4、液压系统，41、水箱，42、高压吸水泵，43、单向阀，44、蓄能器，45、溢流阀，46、高精密过滤器；
具体实施方式
16.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.一种水射流辅助激光诱导等离子体加工装置，如附图1所示，包括依次设置的光路系统1、耦合单元2、工作台单元3、液压系统4。
18.激光器11选用纳秒高功率密度脉冲激光器，输出功率密度可达10
9-10
12
w/cm2量级，激光束由激光器11出射，穿过依次设置的扩束镜12、准直镜13，扩束镜12扩大光束束腰半径减小发散角，准直镜13把扩束后的发散光变成平行等直径的平面波前光，经准直镜13后的激光束以平行光进入聚焦透镜14，经聚焦透镜14聚焦后进入耦合单元2。
19.耦合单元2包括依次设置的光学窗口21、耦合腔体22、喷嘴23，光学窗口21由透明石英玻璃构成，激光束透过率大于99%，经聚焦后的激光束穿过光学窗口21进入耦合腔体22，耦合腔体22侧方设置入水口，由液压系统4提供高压水流，在耦合腔体中形成一层厚度为1-2mm的水层，水层在压力的作用下由耦合腔22底部喷嘴23出射，形成稳定的高速、大直径水射流，喷嘴23由红宝石构成，结构为下锥形，如附图2所示。
20.工作台单元3包括支撑平台31、水槽32、夹具33。支撑平台31安装于耦合单元2输出端对应工作位，水槽32安装于支撑平台31回收废水。夹具33安装于水槽32中用于工件34固定。液压系统4的进水端连接水槽32，出水端连接至耦合单元2的耦合腔体22提供稳定的无级调压高压水流，激光束经聚焦透镜14聚焦后耦合进入水射流，焦点位于工件上方，高功率密度的激光光学击穿水产生等离子体，如附图3所示。膨胀等离子体径向传播产生的激波与等离子体接触材料的热气化综合效应去除材料，完成工件材料加工，如附图4所示。
21.液压系统4包括由水箱41、高压吸水泵42、单向阀43、蓄能器44依次连接构成的主供液回路，主供液回路的出水管路连接至耦合单元2输出稳定的高压水流，进水管路连接水槽32回流冷却水；高压吸水泵42的出水口与水箱41之间设置溢流阀45构成调压回路，以使主供液回路保持稳定并防止过载。出水管路和进水管路均设有高精密过滤器46对流体进行过滤。
22.应用该加工装置，具体包括以下步骤：1）将工件34装夹于工作台单元3对应的工作位；
2）启动液压系统4向耦合单元2输送高压水，耦合单元2将高压水转化为稳定水射流输出；3）激光束由激光器出射，依次经扩束镜12、准直镜13后聚焦进入耦合单元2；4）激光束与水射流耦合，焦点位于工件上方，形成水的光学击穿产生等离子体，膨胀等离子体径向传播产生的激波与等离子体接触材料的热气化综合效应去除材料；5）同轴高速水射流将加工过程中产生的热量、气泡和熔渣等及时排出加工区域；6）加工完毕后依次关闭激光器11和液压系统4，完成加工。
23.本发明所述的一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置，相较于现有的激光诱导等离子体加工方法，不需在工件表面生成静态水层，直接将激光耦合进入同轴水射流，高功率密度的激光在焦点区域形成水的光学击穿产生等离子体，膨胀等离子体径向传播产生的激波与等离子体接触材料的热气化综合效应去除材料，避免现有加工方法及装置中因为加工过程中水层晃动而影响聚焦稳定性和等离子体的生成。高速水射流可以及时将加工过程中产生的空化气泡和熔渣去除，避免由于气泡和熔渣对激光的散射作用而造成激光能量的损失。同时，高速水射流能够及时带走工件表面的热量，有效冷却工件，提高加工质量和加工精度。
24.以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。