一种液膜保护的激光加工系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种液膜保护的激光加工系统及方法。
【背景技术】
[0002]激光是个用来加工宏观和亚微制造的有效工具，因为它细小、高能的光束能满足材料加工的所有基本需求。但激光加工不可避免地存在热损伤。尽管超短激光能减少对材料的热效应，但存在低的材料移去率和高的光子花费的缺陷。近年来，学者们在不断进行减少热损伤的激光加工方法研宄，其中，传统的水下激光加工方法是个较好的选择。然而，在水下激光加工过程中，因为激光加热导致水溶液产生波纹和气泡等，扰乱激光的传输，影响水下激光加工工艺的稳定性和降低加工质量。
[0003]此外，当加工的样片有多道切割线时，用于固定样片的真空吸盘会吸收溶液，被加工的样片表面干燥，导致加工过程中产生的悬浮颗粒附着，影响其表面清洁度。
[0004]所以传统的水下激光加工方法有待改进，要有稳定的水层厚度和平稳流动的溶液才能快速将切肩带离加工区，同时避免因激光的反射和折射导致激光的能量损失。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是设计一种液膜保护的激光加工系统，包括激光装置、工作台以及容器，主喷嘴距离激光聚焦点较近，射流压力较大，激光加工点处于主喷嘴射流束与工件表面相交的区域内。
[0006]本发明的另一目的是设计一种液膜保护的激光加工方法，主喷嘴的射流在加工点周围形成稳定有一定厚度的流动水膜，降低激光加工的热效应，高压射流还可以去除激光软化的材料，提高加工质量，实现更洁净低损伤的激光加工。
[0007]本发明设计的一种液膜保护的激光加工系统包括激光装置和工作台，待加工的工件固定于工作台的上表面，工件待加工的表面为水平，激光装置产生的激光束聚焦于工件待加工的表面。还配有产生射流的主喷嘴，主喷嘴的喷口直径Cl1= 0.5?3_，主喷嘴的中心线与水平面的交角Q1Sscr?60°，主喷嘴的喷口中心与工件表面距离SOD1= 2?5mm,主喷嘴射流束的中心线与工件表面的交点和激光束在工件表面聚焦点的中心之间的距离为dpl= O?0.2mm,即激光束的聚焦点处于主喷嘴射流束与工件表面相交的区域内；主喷嘴射流压力为5?50Mpa ;主喷嘴连接第一离心泵。所述工作台安装于容器内，容器的排水管低于工作台上表面。
[0008]主喷嘴和第一离心泵之间连接有第一调节阀、第一计流器。以调节和控制主喷嘴的流量和保持压力。
[0009]与主喷嘴相对的、激光束另一侧还配有一个辅助喷嘴，辅助喷嘴的喷口直径(12 =3?5mm，辅助喷嘴的中心线与水平面的交角02为45°?90°，辅助喷嘴的喷口中心与工件表面距离SOD2= 8?12mm，辅助喷嘴射流束的中心线与工件表面的交点和激光束在工件表面聚焦点的中心之间的距离为dp2= 0.5?2mm。辅助喷嘴射流压力为0.05?0.2Mpa?辅助喷嘴连接第二离心泵。辅助喷嘴和第二离心泵之间连接有第二调节阀、第二计流器。
[0010]容器的排水管接回收罐。
[0011]本发明设计的一种液膜保护的激光加工方法，采用上述本发明一种液膜保护的激光加工系统，其步骤为:
[0012]1、待加工的工件固定安置于工作台上表面；
[0013]I1、启动第一离心泵，主喷嘴向工件表面喷出射流，射流在工件表面形成稳定地向工件外缘流动的薄液膜保护层；从工件流下的液体落入容器内，从容器的排水管排出；
[0014]II1、激光装置发射激光束穿过液膜、聚焦于工件表面进行加工，去除加工点上工件材料。主喷嘴的较高压力的射流，在加工点周围形成稳定有一定厚度的流动水膜，降低激光加工的热效应，高压射流还可以去除激光软化的材料，提高加工质量。
[0015]与主喷嘴相对的、激光束另一侧还配有一个辅助喷嘴，步骤II同时启动第二离心泵，辅助喷嘴射流射向工件表面，形成的液膜覆盖工件整个表面，防止加工过程中产生的悬浮颗粒附着，实现更洁净的激光加工。
[0016]主喷嘴和辅助喷嘴的射流共同作用在激光加工点(即激光束在工件表面聚焦点)周围，形成阶梯厚度的液膜，液膜分为三个区域:
[0017]区域①即主喷嘴喷射的高速射流与工件表面相交的区域，激光加工点处于区域①内，液膜厚度4为0.I?0.3mm。
[0018]区域②为过渡区，处于区域①外围，由从区域①向外流的液体和辅助喷嘴的较低速射流形成，区域②的液膜厚度匕为0.3?0.5_。
[0019]区域③为区域②外围的工件表面区域，由于区域①和区域②的射流压力，工件表面的液体只能从工件加工点向工件外缘流动，液体的表面张力在区域②外围的工件表面形成液膜，此区域的液膜厚度匕为0.5?5毫米。
[0020]液体从工件和工作台的表面边缘流下，进入容器，从容器的排水管排出。
[0021]容器的排水管接入回收罐，液体可回收循环使用。
[0022]所述液体为水、(10?100)￥%的乙醇水溶液、(10?100) 的丙醇水溶液、甘油、(15?60) wt %的氢氧化钾水溶液、(15?60) V%的硝酸水溶液、(15?60)wt%的氯化钠水溶液、(15?60)被％二甲亚砜(DMSO)水溶液和(15?60)wt%的硝酸钠水溶液中的任意一种。
[0023]与现有技术相比，本发明一种液膜保护的激光加工系统及方法的优点为:1、主喷嘴恒定的高速射流在工件表面提供一层稳定的连续流动的薄水膜，避免由于激光加热导致溶液的剧烈运动对加工的影响，且激光加工过程中的切肩和多余的热被流体带走，减少了飞溅物的沉积，缩小了激光的热影响区；溶液的定向流动还将激光加工产生的水波、气泡等向工件外缘推移，消除了不均匀液体对激光传输的影响；2、激光在液膜下进行加工，较高压力的射流不但冷却工件表面，减少热损伤和表面飞溅物沉积，射流还可以去除工件表面被激光加热软化却尚未达到熔点的部分材料，提高加工效率，且因较低温去除材料，降低热效应，使激光加工具有损伤低、加工质量高的特点；3、增加辅助喷嘴的低速射流，与主喷嘴的高速射流相配合，确保一定厚度的连续液膜覆盖整个工件表面，连续供液的液膜防止因为液体的蒸发而使得悬浮颗粒附着于工件表面，激光加工完成后，除去液膜，也就移除了其中的悬浮颗粒，进一步提高工件表面清洁度；在对多道切割线的样片加工时，即使固定样片的真空吸盘吸收水分，但辅助喷嘴射流的液膜覆盖于整个样片表面，极少有悬浮颗粒附着；4、调节辅助喷嘴的低速射流液体的PH值或加入相应的缓冲剂，所产生的液膜可控制工件表面的化学反应过程，并防止静电放电(ESD)损坏工件表面；5、便于使用，通过调节阀即可调节两个喷嘴的流量；6、适用于激光加工薄脆性材料、热敏感材料和加工过程容易产生大量悬浮颗粒的硅圆片等。
【附图说明】
[0024]图1为本液膜保护的激光加工系统实施例的结构示意图。
[0025]图2为图1的局部放大示意图。
[0026]图中标号为:
[0027]1、容器，2、工作台，3、工件，4、排水管，5、回收罐、6、第二离心泵、7、第二调节阀、8、第二计流器、9、辅助喷嘴、10、激光装置、11、激光束、12、主喷嘴、13、第一计流器、14、第一调节阀、15、第一离心泵。
【具体实施方式】
[0028]液膜保护的激光加工系统实施例
[0029]本液膜保护的激光加工系统实施例包括激光装置10、工作台2、射流喷嘴以及容器1，待加工的工件3固定于工作台2的上表面，工件3待加工的表面为水平，激光装置10产生的激光束11聚焦于工件3待加工的表面，工作台2安装于容器I内，容器I的排水管4低于工作台2上表面。还配有喷嘴，主喷嘴12的喷口直径Cl1= 1.5mm，主喷嘴12的中心线与水平面的交角Q1S 45°，主喷嘴12的喷口中心与工件3表面距离SOD1= 3mm，主喷嘴12射流束的中心线与工件3表面的交点和激光束11在工件3表面聚焦点的中心之间的距离为dpl= 0.1mm,即激光束11的聚焦点处于主喷嘴12射流束与工件3表面相交的区域内。主喷嘴12射流压力为20Mpa。
[0030]主喷嘴12经第一调节阀14和第一计流器13连接第一离心泵15。
[0031]与主喷嘴12相对、激光束11的另一侧还配有一个辅助喷嘴9，辅助喷嘴9的喷口直径d2= 4mm，辅助喷嘴9的中心线与水平面的交角02为60°，辅