激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法与流程

本发明涉及激光-水射流复合加工中的测量装置及方法，尤其是能测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量因子(M2)的，一种激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法。
背景技术：
：文献《Aninvestigationofhybridlaser–waterjetablationofsiliconsubstrates》(InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2012年，56卷，39-49页)公开了一种激光-水射流复合微细加工技术，其可以实现硬脆材料的近无损伤微细加工。该技术使用激光束对材料进行加热，软化后的材料由水射流束冲蚀去除。文献《Ananalyticalmodelforthepredictionoftemperaturedistributionandevolutioninhybridlaser-waterjetmicro-machining》(PrecisionEngineering，2017年，47卷，33-45页)表明，在激光-水射流复合加工过程中，激光束与水射流束发生复杂的交互作用，水对激光的干涉导致其光束质量下降。激光光束质量对于加工过程工件材料温度场分布及其加工质量起到关键作用，因此，测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量对于选择合适的加工工艺条件、优化加工工艺参数有重要的指导意义。激光光束质量通常由激光光束质量因子(M2)表征。现有的测量装置只能测量传统激光干烧条件下的激光光束质量因子。由于激光-水射流复合微细加工环境中有水存在，不能用现有的测量装置测量激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子。目前尚没有可以测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量因子的测量装置及方法。无法满足测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量因子的需求。这使得激光-水射流复合微细加工技术的最优加工工艺条件的选取无法快速、方便地实现，极大地限制了激光-水射流复合微细加工技术的生产效率。因此激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子的测量是亟需解决的问题。技术实现要素：本发明的目的是为了提高激光-水射流复合加工工艺中的加工质量，提供一种激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法。本发明的激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置的技术方案为：由防水密封箱、丝杠驱动的直线导轨、激光聚焦镜头支架、激光聚焦镜头、立柱、精密三轴运动平台、水射流喷嘴、底座、光斑分析仪构成；所述的防水密封箱为一个方形箱体，固定安装在底座上；在防水密封箱顶部的壁上设置一个窗口，在其一个侧壁靠近顶面的位置设置一个进气口，在其相对应的箱体壁上的下部位置设置一个出气口；在窗口上覆盖一个平面透镜，并用防水密封胶密封粘合在窗口上；在出气口上由内向外依次安装过滤网和单向阀，过滤网的网眼尺寸小于湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒的直径，单向阀的流动方向为由防水密封箱内侧流向防水密封箱外侧；防水密封箱内安装光斑分析仪并放置湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒；所述的丝杠驱动的直线导轨包括两条直线导轨、丝杠、滑鞍、手轮、两个支撑板；两条直线导轨分别平行设置于丝杠两侧，直线导轨上标有高度刻度；滑鞍上有与两条直线导轨匹配的滑道，并安装与丝杠相匹配的丝母；滑鞍同时与丝杠和两条直线导轨配合安装在一起，两条直线导轨两端分别固定安装在支撑板上，丝杠两端通过轴承分别安装在支撑板上，安装在上支撑板的丝杠设置手轮轴颈，手轮轴颈穿过轴承通过键连接安装手轮；丝杠的螺纹升角小于其当量摩擦角；丝杠驱动的直线导轨和立柱分别垂直固定安装在在底座上；所述的激光聚焦镜头由激光聚焦镜头筒体、聚焦透镜、激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、第一衰减片、第二衰减片、第二垫圈、第三垫圈组成；激光聚焦镜头筒体为圆筒与圆锥筒的组合体，在构成组合体的圆锥筒部分的大头位置设置激光聚焦镜头进气口；在激光聚焦镜头筒体的圆筒部分，自下而上依次紧密安装激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、聚焦透镜、第三垫圈、第二衰减片、第二垫圈、第一衰减片；聚焦透镜中心轴线与激光聚焦镜头中心轴线重合，聚焦透镜的焦点位于激光聚焦镜头之外，激光聚焦镜头进气口位于激光聚焦镜头平面透镜下方；激光聚焦镜头支架包括与激光聚焦镜头筒体匹配的卡环、螺栓螺母副，激光聚焦镜头支架安装在丝杠驱动的直线导轨滑鞍上；激光聚焦镜头，通过激光聚焦镜头筒体安装在激光聚焦镜头支架的卡环内，用螺栓螺母副夹紧固定；所述的精密三轴运动平台由十字滑台、旋转平台、水射流喷嘴支架构成；十字滑台的底面上固定与立柱相匹配的卡环，十字滑台的工作面上安装与十字滑台匹配的旋转平台；十字滑台包括X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮、X轴锁紧旋钮、Y轴锁紧旋钮，旋转平台包括角度粗调手柄、角度微调旋钮、角度粗调锁紧旋钮、角度微调锁紧旋钮；水射流喷嘴支架安装在旋转平台的工作面上；精密三轴运动平台通过卡环安装固定在立柱上，十字滑台上互为直角的两条滑轨分别与水平面平行和垂直；水射流喷嘴倾斜安装在水射流喷嘴支架上，由锁紧螺母锁紧固定，水射流喷嘴出口指向防水密封箱顶部壁上的窗口，水射流喷嘴所在的铅垂面与十字滑台的两条滑轨组成的平面平行，激光聚焦镜头中心轴线位于水射流喷嘴所在铅垂面内；光斑分析仪顶面有一个能测量激光光斑直径的图像传感器，光斑分析仪固定安装在防水密封箱中，防水密封箱顶部壁上的窗口位于图像传感器正上方，激光聚焦镜头中心轴线与图像传感器中心轴线重合；聚焦透镜的焦距F、聚焦透镜的中心点到激光聚焦镜头最底端的距离L1、图像传感器到防水密封箱窗口平面透镜上表面的距离L2之间满足关系式F-(L1+L2)≥(2/3)F，激光聚焦镜头在竖直方向上的有效运动行程△H满足关系式△H≥2F-(L1+L2)。应用激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置，实施的激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量方法的步骤如下：(1)通过激光聚焦镜头进气口，向激光聚焦镜头内通入压缩空气，气压范围为0.1-0.3MPa；(2)通过防水密封箱进气口，向防水密封箱内通入干燥热空气，温度范围为38-42℃；(3)等待5–10分钟，使防水密封箱内充满干燥热空气；(4)操控激光聚焦镜头，使激光束竖直向下入射到激光聚焦镜头中，激光束光轴与聚焦透镜中心轴线重合；(5)在水射流喷嘴中通入水射流，水压范围为5–20MPa；(6)操控精密三轴运动平台，依次调节角度粗调手柄、锁紧角度粗调锁紧旋钮、调节角度微调旋钮、锁紧角度微调锁紧旋钮、调节Y轴调节旋钮、锁紧Y轴锁紧旋钮、调节X轴调节旋钮、锁紧X轴锁紧旋钮，设定水射流倾斜角度、靶距以及偏置距离，其中水射流倾斜角度为水射流束轴线与防水密封箱窗口平面透镜上表面之间的夹角、靶距为水射流喷嘴出口中心点到水射流束轴线与防水密封箱窗口平面透镜上表面的交点之间的距离、偏置距离为激光束光轴与防水密封箱窗口平面透镜上表面的交点到水射流束轴线与防水密封箱窗口平面透镜上表面的交点之间的距离；(7)转动丝杠驱动的直线导轨的手轮，调整激光聚焦镜头的高度，使用光斑分析仪测量确定激光束光斑直径最小时的激光聚焦镜头高度H0，记录此时的激光束光斑直径；(8)转动丝杠驱动的直线导轨的手轮，调整激光聚焦镜头的高度，在[H0-F/2,H0)区间上均匀取至少4个点，使用光斑分析仪测量并记录所取各高度时的激光束光斑直径；(9)转动丝杠驱动的直线导轨的手轮，调整激光聚焦镜头的高度，在(H0,H0+F/2]区间上均匀取至少4个点，使用光斑分析仪测量并记录所取各高度时的激光束光斑直径；(10)用最小二乘法将第(5)步、第(6)步、第(7)步中测量得到的数据拟合到方程(D(H)/2)2＝AH2+BH+C中，其中，H是激光聚焦镜头高度、D(H)是激光聚焦镜头高为H时的激光束光斑直径、A、B、C为拟合系数；(11)被测量的激光光束质量因子(M2)为其中，λ为被测量的激光波长。本发明的有益效果是，可以实现测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量，填补了相应的测量装置和方法的技术空白。并可以实现功率密度超过光斑分析仪量程范围的激光束的测量，同时可以避免由于水蒸气凝结造成的精度下降或装置损坏的问题，为激光-水射流复合微细加工选择合适的加工工艺条件、优化加工工艺参数提供理论依据。附图说明图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的防水密封箱的结构示意图；图3为本发明的激光聚焦镜头的结构示意图；图4为本发明的精密三轴运动平台和水射流喷嘴的结构示意图。附图标记：1、防水密封箱1-1、平面透镜1-2、窗口1-3、进气口1-4、出气口1-5、湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒1-6、单向阀1-7、过滤网2、丝杠驱动的直线导轨2-1、直线导轨2-2、丝杠2-3、滑鞍2-4、手轮2-5、上支撑板2-6、下支撑板3、激光聚焦镜头支架3-1、激光聚焦镜头卡环3-2、螺栓螺母副4、激光聚焦镜头4-1、聚焦透镜4-2、激光聚焦镜头平面透镜4-3、第一垫圈4-4、激光聚焦镜头进气口4-5、第一衰减片4-6、第二衰减片4-7、第二垫圈4-8、第三垫圈4-9、激光聚焦镜头筒体5、立柱6、精密三轴运动平台6-1、精密三轴运动平台卡环6-2、十字滑台6-3、X轴调节旋钮6-4、Y轴调节旋钮6-5、Y轴锁紧旋钮6-6、X轴锁紧旋钮6-7、旋转平台6-8、角度粗调手柄6-9、角度微调旋钮6-10、角度粗调锁紧旋钮6-11、角度微调锁紧旋钮6-12、水射流喷嘴支架7、水射流喷嘴7-1、锁紧螺母8、底座9、光斑分析仪9-1、图像传感器具体实施方式结合附图详细描述激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置的实施过程，如图1、图2、图3、图4所示。本发明的一种激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置，由防水密封箱1、丝杠驱动的直线导轨2、激光聚焦镜头支架3、激光聚焦镜头4、立柱5、精密三轴运动平台6、水射流喷嘴7、底座8、光斑分析仪9构成。所述防水密封箱1为一个方形箱体，固定安装在底座8上；如图2所示，在防水密封箱1顶部的壁上设置一个窗口1-2，在其一个侧壁靠近顶面的位置设置一个进气口1-3，在其对应的箱体壁上的下部位置设置一个出气口1-4；在窗口1-2上覆盖一个平面透镜1-1，并用防水密封胶密封粘合在窗口1-2上；在出气口1-4上由内向外依次安装过滤网1-7和单向阀1-6，过滤网1-7的网眼尺寸小于湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒1-5的直径，单向阀1-6的流动方向为由防水密封箱1内侧流向防水密封箱1外侧；防水密封箱1内安装光斑分析仪9并放置湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒1-5。如图1所示，所述的丝杠驱动的直线导轨2包括两条直线导轨2-1、丝杠2-2、滑鞍2-3、手轮2-4、上支撑板2-5和下支撑板2-6；两条直线导轨2-1分别平行设置于丝杠2-2两侧，直线导轨2-1上标有高度刻度，滑鞍2-3上有与两条直线导轨2-1匹配的滑道，并安装与丝杠2-2相匹配的丝母；滑鞍2-3同时与丝杠2-2和两条直线导轨2-1配合安装在一起，两条直线导轨2-1两端分别固定安装在上支撑板2-5和下支撑板2-6上，丝杠2-2两端通过轴承分别安装在上支撑板2-5和下支撑板2-6上，安装在上支撑板2-5的丝杠2-2设置手轮轴颈，手轮轴颈穿过轴承通过键连接安装手轮2-4。丝杠2-2的螺纹升角小于其当量摩擦角。丝杠驱动的直线导轨2和立柱5分别垂直固定安装在在底座8上。所述的激光聚焦镜头4由激光聚焦镜头筒体4-9、聚焦透镜4-1、激光聚焦镜头平面透镜4-2、第一垫圈4-3、第一衰减片4-5、第二衰减片4-6、第二垫圈4-7、第三垫圈4-8组成；激光聚焦镜头筒体4-9为圆筒与圆锥筒的组合体，在构成组合体的圆锥筒部分的大头位置设置激光聚焦镜头进气口4-4；在激光聚焦镜头筒体4-9的圆筒部分，自下而上依次紧密安装激光聚焦镜头平面透镜4-2、第一垫圈4-3、聚焦透镜4-1、第三垫圈4-8、第二衰减片4-6、第二垫圈4-7、第一衰减片4-5；聚焦透镜4-1中心轴线与激光聚焦镜头4中心轴线重合，聚焦透镜4-1的焦点位于激光聚焦镜头4之外，激光聚焦镜头进气口4-4位于激光聚焦镜头平面透镜4-2下方。使用光斑分析仪9对激光束进行测量时，被测量的激光光束功率密度不能超过光斑分析仪9的图像传感器的最大量程，当所测量的激光束功率密度过高，超出光斑分析仪9的图像传感器的量程范围时，光斑分析仪9可能发生损坏。本测量装置使用光学衰减片对被测量激光束的能量进行部分吸收，在测量功率密度超出光斑分析仪9量程上限的激光束时，光斑分析仪9的图像传感器实际接收到的激光束能量密度不超出其量程范围，从而扩大了本发明装置可以测量的激光束功率密度的范围。激光聚焦镜头支架3包括与激光聚焦镜头筒体4-9匹配的卡环3-1、螺栓螺母副3-2，激光聚焦镜头支架3安装在丝杠驱动的直线导轨2的滑鞍2-3上。激光聚焦镜头4，通过激光聚焦镜头筒体4-9安装在激光聚焦镜头支架3的卡环3-1内，用螺栓螺母副3-2夹紧固定。所述的精密三轴运动平台6可以采用市场提供的通用构件。由十字滑台6-2、旋转平台6-7、水射流喷嘴支架6-12构成；十字滑台6-2的底面上固定与立柱5相匹配的卡环6-1，十字滑台6-2的工作面上安装与十字滑台6-2匹配的旋转平台6-7；十字滑台6-2包括X轴调节旋钮6-3、Y轴调节旋钮6-4、X轴锁紧旋钮6-6、Y轴锁紧旋钮6-5，旋转平台6-7包括角度粗调手柄6-8、角度微调旋钮6-9、角度粗调锁紧旋钮6-10、角度微调锁紧旋钮6-11；水射流喷嘴支架6-12安装在旋转平台6-7的工作面上。精密三轴运动平台6通过卡环6-1安装固定在立柱5上，十字滑台6-2上互为直角的两条滑轨分别与水平面平行和垂直。水射流喷嘴7倾斜安装在水射流喷嘴支架6-1上，由锁紧螺母7-1锁紧固定，水射流喷嘴7的出口指向防水密封箱1顶部壁上的窗口1-2，水射流喷嘴7所在的铅垂面与十字滑台6-2的两条滑轨组成的平面平行，激光聚焦镜头4的中心轴线位于水射流喷嘴7所在铅垂面内。光斑分析仪9顶面有一个能测量激光光斑直径的图像传感器9-1，光斑分析仪9固定安装在防水密封箱1中，防水密封箱1顶部壁上的窗口1-2位于图像传感器9-1正上方，激光聚焦镜头4中心轴线与图像传感器9-1中心轴线重合。聚焦透镜4-1的焦距F为200mm、聚焦透镜4-1的中心点到激光聚焦镜头4最底端的距离L1为40mm、图像传感器9-1到防水密封箱1的平面透镜1-1上表面的距离L2为20mm，激光聚焦镜头4在竖直方向上的有效运动行程△H为350mm。应用激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置，实施的激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量方法的步骤如下：(1)通过所述激光聚焦镜头进气口4-4向所述激光聚焦镜头4内通入压缩空气，气压为0.3MPa，压缩空气的作用是防止飞溅起的水花、水雾进入到激光聚焦镜头4内影响激光光束质量或者造成激光聚焦镜头4损坏。(2)通过所述防水密封箱1的进气口1-3向所述防水密封箱1内通入干燥热空气，所述干燥热空气温度为40℃±2℃。当水射流冲击在防水密封箱的平面透镜上表面时，部分动能转化为热能，使防水密封箱窗口平面透镜温度升高，防水密封箱内空气有可能在防水密封箱窗口平面透镜下表面上凝结，进而影响测量结果的精确度，当凝露现象严重时，可能导致光斑分析仪及其图像传感器进水失灵。在防水密封箱中充入干燥热空气，可以消除或减弱防水密封箱窗口平面透镜下表面的凝露现象。(3)等待5min，直至所述防水密封箱1内充满干燥热空气。(4)操控激光聚焦镜头，使激光束竖直向下入射到所述激光聚焦镜头4中，激光束光轴与所述聚焦透镜4-1中心轴线重合。(5)在所述水射流喷嘴7中通入水射流，水压为10MPa。(6)操控精密三轴运动平台，依次调节所述角度粗调手柄6-8、锁紧角度粗调锁紧旋钮6-10、调节角度微调旋钮6-9、锁紧角度微调锁紧旋钮6-1、调节所述Y轴调节旋钮6-4、锁紧所述Y轴锁紧旋钮6-5、调节X轴调节旋钮6-3、锁紧X轴锁紧旋钮6-6，设定水射流倾斜角度为45°、靶距为2mm、偏置距离为5mm。(7)转动所述丝杠驱动的直线导轨的手轮2-4，调整所述激光聚焦镜头4的高度，使用所述光斑分析仪9测量确定激光束光斑直径最小时的所述激光聚焦镜头4高度为202mm，记录此时的激光束光斑直径，见表1。(8)转动所述丝杠驱动的直线导轨的手轮2-4，调整所述激光聚焦镜头4的高度取5个点102mm、122mm、142mm、162mm、182mm，使用所述光斑分析仪9测量并记录所取各高度时的激光束光斑直径，见表1。(9)转动所述丝杠驱动的直线导轨的手轮2-4，调整所述激光聚焦镜头4的高度取4个点222mm、242mm、262mm、282mm，使用所述光斑分析仪9测量并记录所取各高度时的激光束光斑直径，见表1。(10)用最小二乘法将第(5)步、第(6)步、第(7)步中测量得到的数据拟合到方程(D(H)/2)2＝AH2+BH+C中，其中，H是所述激光聚焦镜头4高度，D(H)是所述激光聚焦镜头4高为H时的激光束光斑直径，A、B、C为拟合系数，见表2。(11)被测量的激光光束质量因子(M2)为其中，被测量的激光波长λ＝1080nm，计算得到M2＝3.3。表1不同聚焦镜头高度时的激光束光斑直径表2拟合系数系数ABC值0.000579-0.2217221.276当前第1页1 2 3