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1、(10)申请公布号 CN 103358027 A (43)申请公布日 2013.10.23 CN 103358027 A *CN103358027A* (21)申请号 201310297664.4 (22)申请日 2013.07.16 B23K 26/36(2006.01) B23K 26/14(2006.01) (71)申请人 桂林电子科技大学 地址 541004 广西壮族自治区桂林市金鸡路 1 号 申请人 桂林医学院 (72)发明人 龙芋宏 邹登峰 廖志强 江威 (74)专利代理机构 桂林市持衡专利商标事务所 有限公司 45107 代理人 欧阳波 (54) 发明名称 水射流和气流复合辅助激。
2、光加工的方法和系 统 (57) 摘要 本发明为水射流和气流复合辅助激光加工的 方法和系统， 本法激光束聚焦于工件表面， 大于激 光束的气流束与激光束同轴， 在气流束后的水射 流束也进入切缝内。水射流束的中心线处于激光 束中心线和切缝形成的平面内， 水射流束的中心 线与工件表面的交点和激光束聚焦点的距离为 1 2mm。本系统包括激光产生机构、 气体喷嘴和 工作台， 气体喷嘴后方的水射流喷嘴喷孔的纵向 中心线处于激光束中心线和切缝构成的平面内。 气泵水泵分别连接气体喷嘴和水射流喷嘴。水经 水泵、 水射流喷嘴、 工作台上方的工作腔、 水池循 环。 本发明水射流束约束气体的扩张， 降低激光的 热影响，。
3、 带走沉积物， 提高激光刻蚀效率和质量， 对厚 15mm 以上的板材加工效果尤其显著。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103358027 A CN 103358027 A *CN103358027A* 1/1 页 2 1. 水射流和气流复合辅助激光加工的方法， 激光束聚焦于工件表面， 气流束与激光束 同轴， 气流束直径大于激光束聚焦点直径， 其特征在于 ： 所述气流束 （C） 后方有水射流束 （A） ， 水射流束 （A） 也进入。
4、激光加工的工件 （6） 切缝内。 2. 根据权利要求 1 所述的水射流和气流复合辅助激光加工的方法， 其特征在于 ： 所述水射流使用超纯水， 超纯水为去离子水或蒸馏水。 3. 根据权利要求 1 所述的水射流和气流复合辅助激光加工的方法， 其特征在于 ： 所述水射流束 （A） 的中心线处于激光束 （B） 中心线和工件 （6） 切缝构成的平面内。 4. 根据权利要求 1 所述的水射流和气流复合辅助激光加工的方法， 其特征在于 ： 所述水射流束 （A） 的中心线与工件 （6） 表面的交点和激光束 （B） 在工件 （6） 表面聚焦 点的中心之间的距离为 1 2mm。 5.根据权利要求1至4中任一项所述。
5、的水射流和气流复合辅助激光加工的方法设计的 复合水射流和气流辅助激光加工的系统， 包括激光控制单元、 脉冲激光器、 聚焦透镜、 气体 喷嘴和工作台， 工件固定于工作台表面， 激光控制单元连接、 控制脉冲激光器， 脉冲激光器 发出的激光束经聚焦透镜聚缩， 穿过气体喷嘴后聚焦于工件表面， 气体喷嘴的纵向中心线 与激光束同轴， 其特征在于 ： 所述气体喷嘴 （5） 后方， 设置有水射流喷嘴 （14） ， 所述水射流喷嘴 （14） 产生的水射流 束中心线处于激光束中心线和所加工的工件 （6） 切缝构成的平面内。 6. 根据权利要求 5 所述的水射流和气流复合辅助激光加工的系统， 其特征在于 ： 所述水。
6、射流喷嘴 （14） 喷孔和气体喷嘴 （5） 喷孔的直径为 mm 量级。 7. 根据权利要求 5 所述的水射流和气流复合辅助激光加工的系统， 其特征在于 ： 所述水射流喷嘴 （14） 喷孔的纵向中心线与工件 （6） 表面的交点和激光束在工件 （6） 表 面聚焦点的中心之间的距离为 1 2mm。 8. 根据权利要求 5 所述的水射流和气流复合辅助激光加工的系统， 其特征在于 ： 气泵 （15） 连接气体喷嘴 （5） ， 水泵 （12） 连接水射流喷嘴 （14） ， 计算机控制中心连接控 制气泵 （15） 和水泵 （12） ； 计算机控制中心还连接激光控制单元 （1） 。 9. 根据权利要求 5 所。
7、述的水射流和气流复合辅助激光加工的系统， 其特征在于 ： 所述工作台 （8） 上方有装有超纯水的工作腔 （7） ， 工作台 （8） 顶部的凸台位于工作腔 （7） 内， 工作台 （8） 凸台顶面高于工作腔 （7） 的水面， 工件 （6） 固定于工作台 （8） 凸台顶面 ； 工作腔 （7） 有溢流口， 溢流口的最低点低于工作台 （8） 顶面 ； 工作腔 （7） 的溢流口经溢流管接入水池 （9） ， 水池 （9） 内存储产生水射流的超纯水， 水 泵 （12） 的进口经过滤器 （10） 接入水池 （9） 内， 水泵 （12） 出口接入水射流喷嘴 （14） 。 10. 根据权利要求 9 所述的水射流和气。
8、流复合辅助激光加工的系统， 其特征在于 ： 所述工作台 （5） 安装有工作台 X 轴驱动机构和工作台 Y 轴驱动机构， X 轴驱动电机和 Y 轴驱动电机分别连接工作台 X 轴驱动机构和工作台 Y 轴驱动机构， 计算机控制中心连接 X 轴驱动电机和 Y 轴驱动电机， 控制工作台的移动。 权 利 要 求 书 CN 103358027 A 2 1/4 页 3 水射流和气流复合辅助激光加工的方法和系统 技术领域 0001 本发明属激光加工技术领域， 具体涉及一种用于提高激光加工效率的水射流和气 流复合辅助激光加工的方法和系统。 背景技术 0002 激光加工适合于大部分材料， 具有非接触、 灵活和精确等。
9、优点。但对于微米、 亚微 米级刻蚀领域的一些应用， 激光直刻产生的热影响区、 沉积和冲击破坏效应等问题是不容 忽视的。为此， 在目前的激光加工中， 采用辅助气体喷射来吹走激光直刻产生的飞溅物 , 同 时降低激光加工区温度。 但是， 在激光刻蚀加工深度加大的时候， 气体喷嘴的气流进入切割 缝内的量明显减少， 因而大大地降低了气体喷嘴的效率 , 无法有效地清除激光刻蚀产生的 碎屑和降温 , 直接影响激光刻蚀效率和加工质量 , 例如工件会产生再铸层、 残余应力和微 裂纹等。因此， 目前的激光加工切缝深度小于 10mm， 无法用于更大厚度板材的切割。 发明内容 0003 本发明的目的是公开一种水射流和。
10、气流复合辅助激光加工的方法， 利用水射流限 制气体的扩张， 提高激光加工的效率和质量。 0004 本发明的另一目的是设计一种实现水射流和气流复合辅助激光加工的方法的水 射流和气流复合辅助激光加工的系统， 在常规的与激光束同轴的气体喷嘴后方再设置一个 水射流喷嘴， 水射流限制气体的扩张， 提高动量传递， 同时更好地使加工区域降温。 0005 本发明的水射流和气流复合辅助激光加工的方法， 激光束聚焦于工件表面， 气流 束与激光束同轴， 气流束直径大于激光束聚焦点直径， 在气流束后方有水射流束， 水射流束 也进入激光加工的工件切缝内。 0006 所述水射流使用超纯水， 超纯水为去离子水或蒸馏水。 0。
11、007 所述水射流束的中心线处于激光束中心线和工件切缝构成的平面内。 0008 所述水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 1 2mm。 0009 本发明为实现水射流和气流复合辅助激光加工的方法设计的水射流和气流复合 辅助激光加工的系统， 包括激光控制单元、 脉冲激光器、 聚焦透镜、 气体喷嘴和工作台， 工件 固定于工作台表面， 激光控制单元连接、 控制脉冲激光器， 脉冲激光器发出的激光束经聚焦 透镜聚缩， 穿过气体喷嘴后聚焦于工件表面， 气体喷嘴的纵向中心线与激光束同轴， 在气体 喷嘴后方， 设置有水射流喷嘴， 水射流束中心线处于激光束中心线和所加工的切。
12、缝构成的 平面内。 0010 所述水射流喷嘴喷孔和气体喷嘴喷孔的直径为 mm 量级。 0011 所述水射流喷嘴喷射的水为去离子水或蒸馏水的超纯水。 0012 所述水射流喷嘴喷孔的纵向中心线处于激光束中心线和工件切缝构成的平面内。 所述水射流喷嘴喷孔的纵向中心线与工件表面的交点和激光束在工件表面的聚焦点的中 说 明 书 CN 103358027 A 3 2/4 页 4 心之间的距离为 1 2mm。 0013 接有储气瓶的气泵与气体喷嘴连接， 产生气流束。 水泵连接水射流喷嘴， 以产生水 射流。计算机控制中心连接控制气泵和水泵， 控制其启停和产生的压力。计算机控制中心 还连接激光控制单元， 控制激。
13、光功率。 0014 所述工作台安装有工作台 X 轴驱动机构和工作台 Y 轴驱动机构， X 轴驱动电机和 Y 轴驱动电机分别连接工作台 X 轴驱动机构和工作台 Y 轴驱动机构， 计算机控制中心连接 X 轴驱动电机和 Y 轴驱动电机， 控制工作台的移动。 0015 所述工作台上方有装有超纯水的工作腔， 工作台顶部的凸台位于工作腔内， 工作 台凸台顶面高于工作腔的水面， 工件固定于工作台凸台顶面。 0016 工作腔有溢流口， 溢流口的最低点低于工作台顶面。 0017 工作腔的溢流口经溢流管接入水池， 水池内存储产生水射流的超纯水， 水泵的进 口经过滤器接入水池内、 吸取水池内的超纯水， 水泵出口接入。
14、水射流喷嘴， 泵出的压力水经 水射流喷嘴产生水射流。 0018 所述水泵出口经球阀接入水射流喷嘴， 球阀相当于水流开关， 开启球阀水泵才可 向水射流喷嘴送水。 0019 所述水泵出口经三通接溢流调压阀的一端， 溢流调压阀的另一端经溢流调压管接 回水池。调节溢流调压阀可调节水流速度， 从而调节水射流喷嘴的水射流喷射速度。水射 流喷射速度根据加工的材料的厚度进行调整。 0020 开始工作前 , 确认管路畅通， 开启球阀， 开启水泵， 调节溢流调压阀， 水射流喷嘴 产生高速稳定的水射流， 使水射流束在工件表面喷射点中心和激光束在工件表面上的聚焦 点中心的距离为 1 2mm。加工时开启水泵， 则水依次。
15、流经过滤器、 水泵、 球阀， 从水射流喷 嘴的喷孔高速喷射出， 从工件表面流到工作腔内， 再从工作腔的溢流口回流至水池， 水循环 工作。 0021 与现有技术相比， 本发明水射流和气流复合辅助激光加工的方法和系统的优点 为 ： 1、 水射流束紧跟在气流束之后进入切缝， 稳定喷射的不可压缩的水射流束约束气体的 扩张， 使之能进入切缝深处， 提高动力传递， 改进气流束在切缝深处的动力冲刷作用 ； 2、 水 射流束不接触切缝内的激光束， 故可适用于不同波长激光的加工 ； 3、 水射流的冷却作用也 可以消除激光的热影响， 消除激光加工的残余应力， 避免产生的微裂纹 ； 而且喷射的水流的 高速冲刷还能带。
16、走激光加工生成的熔滴， 有效阻止再铸层的生成， 明显提高激光刻蚀效率 和加工质量 ； 4、 本方法和系统特别适合于激光加工较厚的板材， 尤其是大于 15mm 厚度的板 材效果显著， 克服传统激光加工厚片材的难题， 优越性明显 ； 5、 本系统的水射流喷嘴结构简 单， 安装方便， 易于在现有激光加工系统上改造实现。 附图说明 0022 图 1 为本水射流和气流复合辅助激光加工的方法实施例的原理图 ； 0023 图 2 为本水射流和气流复合辅助激光加工的系统实施例的结构示意图。 0024 图内标号为 ： 0025 A、 水射流束， B、 激光束， C、 气流束 ； 0026 1、 激光控制单元， 。
17、2、 脉冲激光器， 3、 反射镜， 4、 聚焦透镜， 5、 气体喷嘴， 6、 工件， 7、 说 明 书 CN 103358027 A 4 3/4 页 5 工作腔， 8、 工作台， 9、 水池， 10、 过滤器， 11、 溢流调压阀， 12、 水泵， 13、 球阀， 14、 水射流喷嘴， 15、 气泵， 16、 储气瓶。 具体实施方式 0027 水射流和气流复合辅助激光加工的方法实施例 0028 本水射流和气流复合辅助激光加工的方法实施例的原理图如图 1 所示， 0029 激光束 B 聚焦于工件表面， 气流束 C 与激光束 B 同轴， 均垂直于工件的表面， 气流 束 C 直径大于激光束 B 聚焦。
18、点直径， 在气流束 C 后方有水射流束 A， 水射流束 A 也垂直于工 件的表面， 进入激光加工的工件 6 切缝内。 0030 本例水射流的水为去离子水， 也可采用蒸馏水。 0031 本例水射流束的中心线与工件表面的交点和激光束在工件表面的聚焦点的中心 的距离为 1.5mm。 0032 水射流和气流复合辅助激光加工的系统实施例 0033 本水射流和气流复合辅助激光加工的系统实施例的结构如图 2 所示， 工作台 8 上 方有装有超纯水的工作腔 7， 工作台 8 顶部的凸台位于工作腔 7 内， 工作台 8 凸台顶面高于 工作腔 7 的水面， 工件 6 固定于工作台 8 凸台顶面。工作腔 7 有溢流。
19、口， 溢流口的最低点低 于工作台 8 顶面。 0034 工作腔 7 的溢流口经溢流管接入水池 9， 水池 9 内存储产生水射流的超纯水， 水泵 12的进口经过滤器10接入水池9内、 吸取水池9内的超纯水， 水泵12出口接入水射流喷嘴 14， 泵出的压力水经水射流喷嘴 14 产生水射流。 0035 本例所用超纯水为去离子水， 也可使用蒸馏水。 0036 本例水泵12出口接三通， 三通的一个出口经球阀13接入水射流喷嘴14， 三通的另 一个出口接溢流调压阀 11 的一端， 溢流调压阀 11 的另一端经溢流调压管接回水池 9。 0037 工件 6 固定于工作台 8 表面， 工作台 8 安装有工作台 。
20、X 轴驱动机构和工作台 Y 轴 驱动机构， X 轴驱动电机和 Y 轴驱动电机分别连接工作台 X 轴驱动机构和工作台 Y 轴驱动 机构， 计算机控制中心连接 X 轴驱动电机和 Y 轴驱动电机， 控制工作台 8 的移动。 0038 计算机控制中心还连接激光控制单元 1， 气泵 15 和水泵 12。 0039 激光控制单元 1 连接、 控制脉冲激光器 2， 脉冲激光器 2 发出的激光束经反射镜 3 改变方向， 由聚焦透镜 4 汇聚， 穿过气体喷嘴 5 后聚焦于工件 6 表面， 气体喷嘴 5 的纵向中 心线与激光束同轴， 本例均垂直于工件 6 表面。在气体喷嘴 5 后方， 设置有水射流喷嘴 14， 水。
21、射流束中心线处于激光束中心线和所加工的工件 6 切缝构成的平面内。 0040 本例水射流喷嘴喷孔直径为 1mm， 气体喷嘴喷孔的直径为 1mm。 0041 气泵 15 接有储气瓶 16， 本例使用氮气。气泵 15 出口连接气体喷嘴 5。 0042 本例水射流喷嘴喷口的纵向中心线和工件表面的交点与激光束在工件表面的聚 焦点中心的距离为 1.5mm。 0043 本例系统安装完成后将 15mm 的铁板作为工件 6 固定于工作台 8 凸台顶面， 调节工 作台8， 使工件6的待加工区置于激光聚焦区域， 调节反射镜3、 聚焦透镜4， 激光束聚焦于工 件 6 表面。调节气泵 15、 确认气流速度稳定， 激光。
22、焦点处于气流束中心， 开启水泵 12， 调节 溢流调压阀11、 调节水射流束的喷射速度。 启动激光控制单元1发出激光束， 进行水射流和 说 明 书 CN 103358027 A 5 4/4 页 6 气流复合辅助的激光加工。 因水射流束约束气流束的扩张， 气流束深入切缝深处， 提高气流 的动力冲刷作用， 同时水射流对激光加工区进行冷却、 冲刷， 提高加工质量。达到工件切割 面无再铸层、 无残余应力、 无微裂纹的 “三无” 加工效果。 0044 对比例， 用相同的激光器、 相同功率、 相同的气体喷嘴、 相同的气体压力， 加工相同 的板材， 同样长度的切缝其加工时间为本实施例耗时的1.3倍， 且切缝深度仅达1012mm， 无法完成对 15mm 的铁板的切割。 0045 上述实施例， 仅为对本发明的目的、 技术方案和有益效果进一步详细说明的具体 个例， 本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、 等同替换、 改 进等， 均包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103358027 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103358027 A 7 。