一种兆声复合水导激光加工装置及方法

本发明属于激光加工，具体涉及一种兆声复合水导激光加工装置及方法。

背景技术：

1、激光加工是利用高功率密度的激光束照射被加工材料，随着光束的移动在材料上形成宽度很窄的切缝的一种加工方式。传统的激光加工存在加工区域容易有飞溅物和残渣、有重铸层、加工面有热影响区、加工锥度大等问题。针对上述激光加工中存在的问题，现有技术中存在采用水导激光加工的方式，以细水射流引导激光束，相较于传统的激光加工方式具有热影响区小、切缝整齐等优点。

2、采用水导激光对工件加工时，结构内部会产生烧蚀产物，烧蚀产物为包含固态、液态和等离子态的多相产物。随着加工深度增加，现有技术中的水导激光在加工大深宽比结构时，结构内部产生的烧蚀产物排出困难，一方面烧蚀产物会影响激光的传播路径，激光无法向更深的位置传输，这一问题制约了水导激光向更大深宽比的加工方向发展。另一方面，烧蚀产物无法排出，凝固后会对加工区域的表面质量和加工精度造成影响，难以满足微结构或器件所需加工深宽比及加工精度的要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种兆声复合水导激光加工装置及方法，旨在解决现有技术中的水导激光加工方式向更大的深宽比加工方向发展受限，以及烧蚀产物影响加工质量和精度的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、在第一方面，本发明提供一种兆声复合水导激光加工装置，包括：

4、壳体，所述壳体具有沿预设方向贯通的耦合腔，所述耦合腔的其中一侧形成出水口，另一侧形成入光口，所述壳体开设有与所述耦合腔连通的进水口；

5、透光片，设于所述入光口；

6、兆声发生组件，设于所述透光片背离所述出水口的一侧，并具有第一避让孔，所述第一避让孔沿所述预设方向贯通，并与所述入光口相对应；以及

7、激光发生组件，包括激光发生器和聚焦场镜，所述聚焦场镜设于所述兆声发生组件背离所述透光片的一侧，所述激光发生器用于沿所述预设方向发射激光束，所述激光束经过所述聚焦场镜汇聚后的光束焦点对应于所述出水口。

8、在一种可能的实现方式中，所述壳体背离所述出水口的一侧还开设有容纳腔，所述入光口连通所述容纳腔和所述耦合腔，所述透光片和所述兆声发生组件分别容置于所述容纳腔内。

9、在一种可能的实现方式中，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括固定上盖，所述固定上盖设于容纳腔，并具有沿所述预设方向贯通的第二避让孔，所述第二避让孔与所述入光口沿所述预设方向贯通，所述固定上盖抵接于所述透光片背离所述出水口的一侧。

10、在一种可能的实现方式中，所述第二避让孔邻近所述透光片的一侧形成有容纳槽，所述兆声发生组件容置于所述容纳槽内，所述固定上盖还开设有与所述容纳槽连通的穿线孔。

11、在一种可能的实现方式中，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括水腔喷头，所述水腔喷头一端与所述出水口连接，另一端容置于所述耦合腔内，所述水腔喷头容置于所述耦合腔内的一端与所述耦合腔的内壁之间间隔预设距离，以形成供水流通的流动腔室；

12、所述水腔喷头沿所述预设方向贯通以形成喷水通道，所述流动腔室连通所述进水口和所述喷水通道，所述激光束经过所述聚焦场镜后汇聚的光束焦点位于所述喷水通道内。

13、在一种可能的实现方式中，所述壳体沿所述流动腔室的周向开设有多个所述进水口。

14、在一种可能的实现方式中，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括高声阻抗楔块，所述高声阻抗楔块设于所述耦合腔内，并沿所述预设方向开设有引导通道，所述引导通道邻近所述兆声发生组件的一端形成锥形的引导腔。

15、在一种可能的实现方式中，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括移动臂，所述壳体、所述兆声发生组件和所述激光发生组件分别设于所述移动臂。

16、在一种可能的实现方式中，所述兆声发生组件的频率≥1mhz。

17、与现有技术相比，本发明提供的一种兆声复合水导激光加工装置的有益效果是：

18、本发明提供的兆声复合水导激光加工装置包括壳体、透光片、激光发生组件和兆声发生组件，壳体具有耦合腔，耦合腔具有入光口、进水口和出水口，使用时，耦合腔通过进水口接通水源，形成水射流从出水口射出，喷射到工件待加工位置。透光片设置在入光口，一方面能够保证激光束能够穿过，另一方面能够阻挡耦合腔内的水从入光口泄露。激光发生组件用于向耦合腔发射激光束，激光束经过聚焦场镜聚焦于耦合腔内，能够沿水射流进行全反射传导，最终激光束作用于工件上，对工件进行加工。兆声发生组件能够产生兆声波，兆声波作用于工件，一方面，兆声波复合水射流能够使烧蚀产物快速排出，从而能够加工更大深宽比的结构，烧蚀产物排出后不会凝固在加工区域，也有助于提高表面质量和加工精度。另一方面，高频率的兆声波具有高声强、低空化的特点，可使兆声波介入微纳米结构之间的同时避免对工件表面或微结构产生二次损伤，能够实现精加工，满足大深宽比微结构或器件所需加工精度的要求。

19、本发明将壳体、透光片、激光发生组件和兆声发生组件结合，能够显著提高水导激光加工微结构尤其是大深宽比结构时的加工精度和加工效率，在使用期间，兆声波复合水射流能够使烧蚀产物顺利排出，消除了烧蚀产物对激光束传导的阻碍，从而能够加工更大深宽比的结构。兆声波和水射流共同作用，在保证烧蚀产物顺利排出的同时，不会对工件产生二次损伤，适用于大深宽比微结构、高精度产品的精加工，有助于保证微结构器件的使用性能。

20、在第二方面，本发明提供一种兆声复合水导激光加工方法，采用如上述任一实现方式所述的一种兆声复合水导激光加工装置实现，包括以下步骤：

21、将所述壳体、所述透光片、所述兆声发生组件和所述激光发生组件组装成所述一种兆声复合水导激光加工装置；

22、将工件固定，向所述进水口通入去离子水，启动所述兆声发生组件和所述激光发生组件，使激光束通过水射流作用于工件表面，进行工件的加工。

23、本发明提供的兆声复合水导激光加工方法采用如上述任一实现方式提供的兆声复合水导激光加工装置实现，具有与其相同的技术效果，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述壳体背离所述出水口的一侧还开设有容纳腔，所述入光口连通所述容纳腔和所述耦合腔，所述透光片和所述兆声发生组件分别容置于所述容纳腔内。

3.根据权利要求2所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括固定上盖，所述固定上盖设于所述容纳腔，并具有沿所述预设方向贯通的第二避让孔，所述第二避让孔与所述入光口沿所述预设方向贯通，所述固定上盖抵接于所述透光片背离所述出水口的一侧。

4.根据权利要求3所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述第二避让孔邻近所述透光片的一侧形成有容纳槽，所述兆声发生组件容置于所述容纳槽内，所述固定上盖还开设有与所述容纳槽连通的穿线孔。

5.根据权利要求1所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括水腔喷头，所述水腔喷头一端与所述出水口连接，另一端容置于所述耦合腔内，所述水腔喷头容置于所述耦合腔内的一端与所述耦合腔的内壁之间间隔预设距离，以形成供水流通的流动腔室；

6.根据权利要求5所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述壳体沿所述流动腔室的周向开设有多个所述进水口。

7.根据权利要求1所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括高声阻抗楔块，所述高声阻抗楔块设于所述耦合腔内，并沿所述预设方向开设有引导通道，所述引导通道邻近所述兆声发生组件的一端形成锥形的引导腔。

8.根据权利要求1所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述一种兆声复合水导激光加工装置还包括移动臂，所述壳体、所述兆声发生组件和所述激光发生组件分别设于所述移动臂。

9.根据权利要求1所述的一种兆声复合水导激光加工装置，其特征在于，所述兆声发生组件的频率≥1mhz。

10.一种兆声复合水导激光加工方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的一种兆声复合水导激光加工装置实现，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种兆声复合水导激光加工装置及方法，包括壳体、透光片、兆声发生组件和激光发生组件。壳体具有耦合腔，耦合腔具有进水口、出水口和入光口；透光片设于入光口；兆声发生组件设于透光片背离出水口的一侧；激光发生组件包括激光发生器和聚焦场镜，聚焦场镜设于兆声发生组件背离透光片的一侧，激光发生器用于发射激光束，激光束经过聚焦场镜汇聚后的光束焦点对应于出水口。本发明将壳体、透光片、激光发生组件和兆声发生组件结合，能够提高水导激光加工微结构尤其是大深宽比结构时的加工精度和加工效率，在使用期间，兆声波复合水射流促使烧蚀产物快速排出，提高加工结构的极限深宽比，也有助于改善表面质量和加工精度。

技术研发人员：翟科,梁勇康,李天阳,武小龙,景学森,方立德
受保护的技术使用者：河北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16