液体辅助激光加工方法与装置与流程

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种液体辅助激光加工方法与装置。

背景技术：

激光加工利用激光束对材料进行微细加工、切割、焊接及打孔等，应用日益广泛。传统激光加工在空气中进行干式加工，脉宽较大时，加工常常产生溅射、熔渣、热影响区、微裂纹等缺陷，影响了常规脉冲激光器在高端激光微细加工领域的应用。实际上，即使是皮秒和飞秒激光加工，由于热量累积效应，大深度干式激光加工仍然会产生不可忽视的热影响区，在单晶金属等热敏感材料的加工中产生很难克服的质量缺陷。

为更好地克服干式激光加工的热影响，瑞士SYNOVA公司发明了将激光与层流水相结合的水导激光微细加工技术(参见国际专利WO95/32834)，该技术将激光通过微小喷嘴耦合进层流水柱，空气中实现光的全反射传输。由于水流的冷却效应，脉冲激光加工时的热影响得到很好的抑制，还具有对聚焦不敏感的特点，层流水柱可以达50毫米长，对包括脆性材料在内的多类材料的精细加工获得成功。水助激光加工的另一类技术是液核光纤激光加工技术(参见美国GE公司专利US7211763B2)，该技术采用中空导管，导管的折射率低于中心的液体介质，因此，激光在液体中的传输可以全反射，就如固体实心光纤一样。该技术打破了高强度激光能量传输极限，光纤可以长300毫米以上，激光功率密度可以超过4GW/cm2，由于是固体管壁约束，光纤可以深入狭小区域进行激光加工。该技术在空气中射出水流后等效于SYNOVA技术，但其固体管壁使其加工更加方便。

上述水助激光加工技术解决了脉冲激光加工的热影响难题，但相比干式加工存在一些明显缺点，即激光耦合的稳定性受限于喷嘴直径，太大直径，激光强度不足，很难实现有效加工；直径过小，激光耦合时容易伤及喷嘴，可靠性不佳。因此，水助激光加工的水束直径一般在50～200um，加工分辨率低，很难可靠地提高。另外，上述水助激光加工属于单点加工，加工大面积复杂形状时需要搭配三轴、五轴等多轴运动台才能完成，由于质量惯性，很难实现2米/秒以上的扫描速度，短脉冲激光器高频率的优势很难发挥出来。相对来讲，干式激光加工可以轻易突破20微米量级分辨率，用扫描振镜实现10米/秒的扫描速度，实现复杂图案的快速加工。

为解决当前水助激光加工可靠性不高、分辨率遭遇瓶颈、加工复杂度有限等问题，亟需进一步革新当前的水助激光加工技术。

技术实现要素：

基于此，本发明提供一种具有快速扫描功能的液体辅助激光加工方法，同时提供一种液体辅助激光加工装置，相对之前的水助激光加工技术，具备加工分辨率更高、扫描速度更快，可以方便进行复杂图案加工等优点。

一种液体辅助激光加工方法，包括如下步骤：步骤a，激光器发射激光束，所述激光束被引导到扫描系统中；步骤b，所述激光束被扫描系统改变路径并聚焦后与液体耦合；步骤c，所述激光束与液体耦合后进入喷嘴，与液体一同从喷嘴射出至待加工工件上。

在其中一个实施例中，步骤a中，激光器发射激光束前，调节激光束焦距，使加工点处于激光束焦点上。

在其中一个实施例中，还包括步骤d，调整待加工工件以一定运动轨迹运动，直至待加工工件得到所需形状。

一种液体辅助激光加工装置，包括用于发射激光束的激光器、光液耦合机构以及与光液耦合机构相连的液体供应系统，其特征在于，还包括设置于激光器与光液耦合器之间、且与激光器与光液耦合器相连的扫描系统，所述激光器发出的激光束进入所述扫描系统，由所述扫描系统改变路径并聚焦后进入所述光液耦合机构与液体耦合，最后与液体一起从所述光液耦合机构的喷嘴射出。

在其中一个实施例中，所述扫描系统为激光振镜扫描系统，内部设置有至少两个振镜片，用于控制激光束在X、Y两个方向运动或者控制激光束在X、Y、Z三个方向运动。

在其中一个实施例中，所述振镜片为平面反射镜片或棱镜镜片。

在其中一个实施例中，所述扫描系统的扫描速度为0～1000m/s。

在其中一个实施例中，所述液体辅助激光加工装置还包括固定调焦机构，所述固定调焦机构设置于扫描系统和光液耦合机构之间、且与扫描系统和光液耦合机构连接，所述固定调焦机构包括多向调整机构，用于调节所述光液耦合机构和扫描系统的相对位置。

在其中一个实施例中，所述多向调整机构能够在X、Y、Z方向和A、B旋转角度方向五个自由度上调节光液耦合机构和扫描系统的相对位置；其中，X、Y、A、B四个方向自由度用于使光液耦合机构保持和扫描系统同轴，Z方向自由度用于调节光液耦合机构和扫描系统的距离，即调节激光束的焦距。

在其中一个实施例中，所述固定调焦机构还包括固定板，所述扫描系统通过所述固定板与所述光液耦合机构连接，所述多向调整机构与所述固定板连接。

在其中一个实施例中，所述液体辅助激光加工装置还包括固定调焦机构，所述固定调焦机构包括固定板，所述扫描系统通过所述固定板与所述光液耦合机构固定连接，形成一个整体。

在其中一个实施例中，所述液体辅助激光加工装置还包括光路系统，所述光路系统用于传导所述激光器发射的激光束进入所述扫描系统。

在其中一个实施例中，所述光路系统包括光纤或光学镜片。

在其中一个实施例中，所述液体辅助激光加工装置还包括液箱系统，所述液箱系统用于汇集液体辅助激光加工后的废液。

在其中一个实施例中，所述液体辅助激光加工装置还包括用于放置工件的运动工作台，所述运动工作台与光液耦合机构相对并能相对于光液耦合机构运动。

在其中一个实施例中，所述光液耦合机构还包括窗口片、腔体和供液接头，所述供液接头与所述液体供应系统相连，激光束能够透过窗口片进入所述腔体，与从供液接头进入的液体在腔体内耦合后，一起从喷嘴射出。

在其中一个实施例中，所述液体供应系统包括压力罐、泵、气体压力发生器，所述泵和气体压力发生器分别与所述压力罐相连，所述压力罐与所述光液耦合机构连通。

在其中一个实施例中，所述压力罐上设置有进气口、进液口和出液口，进气口通过气管与气体压力发生器相连，进液口通过管路接头与泵相连，由泵向压力罐中泵入液体，出水口通过管路接头和压力表、流量计相连，最终通过管路接头与光液耦合机构连接。

在其中一个实施例中，所述液体辅助激光加工装置的液体为满足导光要求的纯净水、酸溶液、碱溶液或盐水。

在其中一个实施例中，所述喷嘴可拆卸地设置于所述光液耦合机构上。

在其中一个实施例中，所述喷嘴的截面形状为圆形，喷嘴内径范围为0.5mm～10mm。

在其中一个实施例中，所述喷嘴的截面形状为矩形。

在其中一个实施例中，所述激光器为355～1064纳米波长。

上述液体辅助激光加工装置激光器与光液耦合器之间设置扫描系统，具有扫描功能，喷嘴直径可以远远大于激光光斑直径，满足扫描加工激光束的传输要求，一定压力的液体顺着喷嘴喷出，形成聚焦激光束的水流包容，激光的聚焦特性不依赖于光纤或等效光纤的全反射，而是液体介质中的聚焦和局部扫描，因此，干式加工中能实现的各种大小分辨率，通过该液体辅助激光加工装置在该技术下也能实现；干式扫描中能实现的扫描速度得以保持，同时得到水流冷却和冲刷的帮助，有助于保持光学通道。

附图说明

图1为本发明液体辅助激光加工装置的结构示意图；

图2为本发明液体辅助激光加工装置的喷嘴截面形状示意图；

图3为本发明液体辅助激光加工装置和方法加工的圆孔(左)和传统激光空气中加工的圆孔(右)的对比图。

具体实施方式

参阅图1，本发明液体辅助激光加工装置，其包括激光器11、光路系统21、扫描系统31、光液耦合机构、固定调焦机构51、液体供应系统、运动工作台71、和液箱系统。本发明液体辅助激光加工装置的液体可以为满足导光要求的水、酸溶液、碱溶液或盐水等，本发明较佳实施例的液体优选为纯净水，因此光液耦合机构为光水耦合机构41，液体供应系统为水供应系统60，液箱系统为水箱系统81。

激光器11用于产生激光束12，激光器11为355～1064纳米波长，任意脉宽，优选532纳米绿光。

光路系统21由光纤或者光学镜片组成，用于传导激光束12进入扫描功能系统31。为了减少激光的传输损失，激光器11和扫描功能系统31也可以直接相连，激光器11发出的激光束12直接传导入扫描系统31，无需设置光路系统21。

扫描系统31为激光振镜扫描系统，激光束12进入扫描系统31，由扫描系统31改变路径并聚焦后进入光液耦合机构与液体耦合。扫描系统31内部设置有至少两个振镜片，振镜片可以为平面反射镜或棱镜，用于控制激光束12在X、Y两个方向运动或者控制激光束12在X、Y、Z三个方向运动。优选为两个平面反射镜片，通过内部的两个反射镜片高速沿轴旋转，按要求改变激光束12的路径。扫描系统可以做低速扫描或高速扫描，其扫描速度可以为0～1000m/s。

光水耦合机构41包括水腔体43，水腔体43上设置上盖板46，上盖板46通过螺柱47与水腔体43的外壁连接固定，上盖板46上设置窗口片，窗口片为玻璃片42，水腔体43侧面设置供水接头44与水供应系统连接，在水腔体底部设置喷嘴45。激光束12透过玻璃片42进入光水耦合机构41与从供水接头44进入的水在水腔体43耦合后，一起从喷嘴45处喷射出。

固定调焦机构51设置于扫描系统31和光液耦合机构41之间、且与扫描系统31和光液耦合机构41连接，其包括固定板53和多向调整机构。扫描系统31通过固定板53与光水耦合机构41连接，多向调整机构与固定板连接。其中，多向调整机构包括X方向、Y方向、Z方向调整机构52和A、B旋转角度调整机构54，X、Y、Z、A、B五个自由度用于调节光水耦合机构41和扫描系统31的相对位置，其中X、Y、A、B四个自由度用于使光水耦合机构41保持和扫描系统31同轴，Z方向自由度用于调节光水耦合机构41和扫描系统31的距离，即可以调节激光束的焦距。

为了使本发明的装置的结构和体积更为紧凑，扫描系统31、光水耦合机构41、固定调焦机构51可以是一个整体，或者将结构参数固化并选取最优值后，省去固定调焦机构51中的多向调整机构。

水供应系统60由压力罐61、水泵62、气体压力发生器63、压力表64、流量计65、水管接头69组成。压力罐61上布置有进气口66、进水口67、出水口68。进气口66通过气管70和气体压力发生器63相连。进水口67通过水管接头69和水泵62相连，由水泵62向压力罐61中泵入水。出水口68通过水管接头69和压力表64、流量计65相连，最终通过水管接头69和光水耦合机构41的供水接头44连接。

运动工作台71和待加工工件72连接，带动待加工工件72按照设置的运动轨迹运动。

水箱系统81包含水箱和排水口，用于汇集液体辅助激光加工后的废水并排除。

在本实施例中，喷嘴可以进行调整和更换，可以更换为不同内径和截面形状的喷嘴，喷嘴部分的形状可以自动化进行调整。如图2所示，喷嘴45的截面形状可以为圆型截面形状95，优选地，喷嘴内径为0.5mm～10mm。由于喷嘴的内径一般使用时选取较大的2mm～10mm，所以光水耦合的难度远低于基于小喷嘴耦合的水助激光加工技术，可以长期保持整个系统的可靠性。对比地，目前的水助激光加工由于依赖全反射效应，光纤或等效光纤的直径一般在200微米以内，以保证足够的激光强度。扫描振镜31控制激光束12在圆形截面形状91内填充扫描一个异型图形96。

如图2所示，喷嘴45的截面形状还可以为正方形截面形状93。扫描功能系统31控制激光束12在正方形截面形状93内填充扫描一个三角图形94。

如图2所示，喷嘴45的截面形状还可以为长方形截面形状91，长方形可以是狭缝形状。扫描功能系统31控制激光束12在长方形截面形状95内填充扫描一个长方形图形92。

上述液体辅助激光加工装置的加工方法，包括如下步骤：

(1)在加工待加工工件72前调节固定调焦机构51，使液体辅助激光加工装置的焦距调整到合适的位置并固定下来。

(2)正式开始加工工件，运动工作台71连接待加工工件72并运动到所需要加工的位置，同时使加工点处于液体辅助激光的焦点上。

(3)水供应系统60开始工作，具有一定压力的水进入光水耦合机构41的水腔体，从喷嘴处以层流的形式喷射出。

(4)激光器11开始工作，激光束经过光路系统21进入扫描系统31，从扫描系统31射出的激光束透过光液耦合机构41的玻璃片42进入水腔体43与液体耦合后从喷嘴45处射出。

(5)扫描系统31控制内部的多个振镜片动作，使激光在喷嘴截面内快速扫描进行激光加工。

(6)运动工作台71连接待加工工件以一定的运动轨迹运动，直至加工工件得到所需要的形状。

如图3所示，使用本装置与方法加工的圆孔(左侧)和传统激光空气中加工的圆孔(右侧)对比如图所示，可以看到本装置与方法加工的圆孔边缘齐整、弧度准确、几乎无热影响区，而传统激光空气中加工的圆孔有熔渣和热变形。

本实施例中，从喷嘴射出的水束不再作为水束光纤，激光的聚焦特性不依赖于水束的全反射，因此激光全反射喷嘴直径可以设置较大尺寸，远远大于激光光斑直径，如0.5-10mm直径喷嘴出口，满足扫描加工激光束的传输要求。一定压力的液体顺着喷嘴喷出，形成聚焦激光束的水流包容，激光的聚焦特性不依赖于水束的全反射，而是液体介质中的聚焦和局部扫描，因此，干式加工中能实现的各种大小分辨率，在本实施例中也能实现；干式扫描中能实现的扫描速度得以保持，同时在水流冷却和冲刷的作用下，能够保持光学通道，大大减小热影响区。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。