一種雙雷射加工水浸工件的方法和系統與流程
2023-05-21 12:52:31 4
本發明涉及液體輔助雷射加工技術，具體為一種雙雷射加工水浸工件的方法和系統。
背景技術：
雷射加工作為微損且精密的加工手段在微尺度加工領域的應用越來越廣泛。雷射加工大多是利用雷射的熱效應，使材料局部受熱達到熔點熔融，從而去除部分材料，完成切槽的刻蝕加工。各種材料都無法避免存在一定細微的組織缺陷。在雷射加熱改變局部材料狀態、去除材料的過程中，雷射加工過程的高溫使切槽周圍一定的區域內不可避免地受到熱影響。材料在局部高熱產生的應力梯度下細微的組織缺陷很容易萌生微裂紋，特別是矽之類的硬脆材料。雷射熔切加工過程的熱影響有：1.熔切高溫過程產生的熱影響區內存在較大熱應力，會誘使材料本身存在的微細裂紋擴展，造成材料局部碎裂；2.使工件的切槽表面產生初始微裂紋，受力時應力將集中於微裂紋的尖端；工件在服役時，當外部載荷在其裂紋尖端產生的應力超過材料微裂紋維持現狀、不擴展的裂紋擴展阻力，微裂紋將擴展導致工件斷裂損壞。可見雷射加工過程的熱影響埋下了工件服役時產生低應力脆斷的隱患。因此，隨著對雷射與材料相互作用機理認識的不斷深入，目前雷射加工研究的重點之一是雷射加工去除材料的同時儘可能的降低雷射的熱影響，縮小熱影響區，以避免出現微裂紋。
技術實現要素：
本發明的目的是設計一種雙雷射加工水浸工件的方法，採用兩種雷射，一種為固體雷射器產生的波長為1064nm雷射，另一種為CO2氣體雷射器產生的波長為10640nm雷射。兩種雷射對液體內的工件協同作用，去除預定劃切路徑的材料，在低於工件材料熔點的溫度下完成工件的雷射加工。本發明的另一目的是基於上述本發明雙雷射加工水浸工件的方法、設計一種雙雷射加工水浸工件的系統，其包括水箱、其內的工作檯，固體雷射器的產生的A雷射聚焦於工件表面，氣體雷射器產生的B雷射聚焦於工件表面上方，與A雷射的聚焦點有一定距離。本發明設計的一種雙雷射加工水浸工件的方法，工件浸於水中，固體雷射器產生的波長為1064nm的A雷射直接聚焦於水中工件表面的劃切路徑上，在A雷射的聚焦點上雷射的熱作用使工件受熱局部軟化，但聚焦點的溫度低於工件材料的相變溫度。1064nm的A雷射在水中吸收率很小而在工件中的吸收率較高，因此A雷射束的能量主要被工件吸收產生熱。CO2氣體雷射器產生的波長為10640nm的B雷射的聚焦點處於工件上方，即位於水中，B雷射的聚焦點和A雷射的聚焦點之間的距離為(1～4)×102μm。B雷射在水中有很高的吸收率，B雷射聚焦點周圍的水在其作用下被擊穿，擊穿的水產生汽蝕空泡和等離子體衝擊波，衝擊波產生的局部高壓作用於工件表面被局部軟化的區域，A雷射聚焦處的材料軟化後強度大大降低，被B雷射產生的衝擊波的衝擊力去除，實現切槽加工。波長為10640nm的B雷射能量密度為25J/cm2～80J/cm2，脈寬10ns～300ns,重複頻率20kHz～60kHz；波長為1064nm的A雷射能量密度為100J/cm2～300J/cm2,脈寬30ns～100ns,重複頻率20kHz～60kHz。浸於水中的工件表面上方水層厚度為1～3毫米。基於本發明雙雷射加工水浸工件的方法、設計的一種雙雷射加工水浸工件的系統，包括水箱，位於水箱底部的工作檯，工作檯表面為水平面，工件固定於工作檯表面，雷射器的雷射頭位於水箱上方，雷射束聚光於工件表面，本系統一臺固體雷射器的雷射頭位於水箱上方，其產生波長為1064nm的A雷射，A雷射束直接聚焦於水中工件表面的劃切路徑上；另一臺CO2氣體雷射器的雷射頭也位於水箱上方，其產生波長為10640nm的B雷射，B雷射束的聚焦點處於工件上方，即位於水中，B雷射的聚焦點和A雷射的聚焦點之間的距離為(1～4)×102μm。所述A雷射束的中心線為鉛垂線，B雷射束的中心線與A雷射束的中心線相交於A雷射束在工件表面的聚焦點，二者的交角為10°～30°。所述工作檯為臺面高度可調節的工作檯。所述水箱內充滿水，工件表面上方水層厚度為1～3毫米。所述水箱下部有入水口，入水口上安裝入水閥，水箱有可密封其頂部的頂蓋，頂蓋上有排氣口，排氣口上安裝排氣閥。當水箱進水時，入水閥和排氣閥均開啟，以便於將水箱內的氣體排出，使水箱充滿水。當系統工作時入水閥和排氣閥均關閉，以使工件表面的水層穩定。所述水箱連接測壓管，其連接水壓計，以便於在雷射加工過程檢測水箱內的壓力。測壓管經測壓閥連接水壓計，以便選擇關斷或開啟。所述水箱的頂蓋為透明頂蓋，以便於觀察雷射加工情況和雷射通過。與現有技術相比，本發明一種雙雷射加工水浸工件的方法和系統的優點為：1、降低雷射加工的局部過熱的影響，本發明雷射加工時工件局部被A雷射加熱、但其溫度低於熔點，用B雷射產生的衝擊波來去除因受熱而強度降低的局部材料，而一般雷射熔融切時溫度均高於熔點幾十度至數百度；因而本發明雷射加工時的熱影響大大減少，以矽片為例，其熔點為1687K，而本發明的A雷射的加熱只需要達到1100K即可使矽片材料軟化，B雷射產生的衝擊波衝擊力足以將A雷射局部軟化處的材料切除；2、因本發明雷射加工時的熱影響降低，故本法雷射加工與傳統雷射熔切的加工相比，材料的微觀組織缺陷向微裂紋發展的情況大大減少，切口平整，電子顯微鏡下未見微裂紋；且本法雷射加工試驗所得的工件的熱影響區內的熱應力僅為熔切法的約1/5到1/3；3、因B雷射產生的衝擊波對工件上未加熱軟化的部分不足以產生破壞作用，A雷射聚焦點沿劃切路徑移動的精度即決定了加工精度，因在A雷射的加熱下材料未融化，切縫周圍無熔融材料，B雷射產生的衝擊波不會把切縫周圍的材料順帶去除，切縫可進一步縮小，提高雷射加工精度和工件質量。附圖說明圖1為本雙雷射加工水浸工件的系統實施例結構示意圖。1、入水口，2、入水閥，3、水箱，4、頂蓋，5、B雷射，6、A雷射，7、排氣口，8、排氣閥，9、工件，10、工作檯，11、水壓計，12、測壓閥。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明做詳細的說明：雙雷射加工水浸工件的系統實施例本雙雷射加工水浸工件的系統實施例的結構如圖1所示，本例水箱3下部有入水口1，入水口上安裝入水閥2，水箱3有可密封其頂部的透明的玻璃頂蓋4，頂蓋4上有排氣口7，排氣口7上安裝排氣閥8。水箱3連接測壓管，測壓管經測壓閥12連接水壓計11。當水箱3進水時，入水閥2、排氣閥和測壓閥12均開啟。當系統工作時入水閥2、排氣閥8和測壓閥12均關閉。本例臺面為水平面的工作檯10位於水箱3底部，其臺面高度可調節，工件9固定於工作檯10臺面。一臺固體雷射器的雷射頭位於水箱3上方，其產生波長為1064nm的A雷射6，本例A雷射6能量密度為191J/cm2,脈寬42ns,重複頻率40kHz。A雷射束直接聚焦於水中工件表面的劃切路徑上，A雷射束的中心線為鉛垂線；另一臺CO2氣體雷射器的雷射頭也位於水箱3上方，其產生波長為10640nm的B雷射5，B雷射束的聚焦點處於工件9上方，即位於水中。本例B雷射5能量密度為60J/cm2，脈寬100ns,重複頻率40kHz；B雷射束的中心線與A雷射束的中心線的交角為30°，二中心線的交點即A雷射束在工件9表面的聚焦點。B雷射5的聚焦點和A雷射6的聚焦點之間的距離為200μm。本例水箱3內充滿水，工件9表面上方水層厚度為2毫米。雙雷射加工水浸工件的方法實施例本例採用上述雙雷射加工水浸工件的系統實施例，工件9固定於工作檯10的臺面。加工前入水閥2、排氣閥8和測壓閥12均開啟，水從入水閥2進入水箱3，水箱3中充滿水至透明的玻璃頂蓋4底面，水從排氣口7溢出。關斷入水閥2、排氣閥8和測壓閥12。調節產生波長1064nm的A雷射6的固體雷射器，使A雷射6聚焦於工件9表面。再調節產生波長10640nm的B雷射5的CO2氣體雷射器，先使B雷射5聚焦於工件9表面A雷射6的聚焦點上，保持氣體雷射器雷射頭的傾斜角度，即保持B雷射束的中心線與A雷射束的中心線的交角30°不變，細調C02氣體雷射器，使其聚焦點稍上移，同時檢測切槽效果達最佳時固定。加工過程中，B雷射束與A雷射束的聚焦點相對位置不變。控制中心同步控制固體雷射器和CO2氣體雷射器，使它們的焦點沿劃切路徑移動，A雷射6軟化工件9局部表面，B雷射5擊穿其焦點處的水產生汽蝕空泡、等離子體衝擊波，衝擊波效應衝擊工件9表面軟化區域去除材料，完成切槽加工。本例加工矽片工件，工件表面最高溫度1200K。同樣的矽片工件9採用傳統的雷射熔融刻蝕加工作為對比例，雷射能量密度為191J/cm2,脈寬42ns，與上述實施例的A雷射6相同，工件9表面最高溫度達3538K。本例加工矽片，加工工件的切槽內切口平整，200x1400μm2區域內，電子顯微鏡下未觀測到切面上有碎裂，無熔覆層。對比例加工相同的矽片工件，同樣的區域範圍內，電子顯微鏡觀測相同切槽內的切面，可看到交錯裂紋12根，有5根延伸至工件表面；這些微裂紋必然會影響工件的使用壽命。此外根據局部應力計算可知對比例熔切法的熱影響區最大熱應力是本實施例的熱影響區最大熱應力的3到5倍，顯然本發明的雷射加工方法顯著降低了雷射加工工件的微裂紋擴展力。上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明並非限定於此。凡在本發明的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍之內。