微射流水導(dǎo)激光加工屬于一種多能場(chǎng)復(fù)合激光加工技術(shù).該技術(shù)利用加工激光耦合穩(wěn)定壓力微射流,改變激光能量分布為平頂高斯光束,并對(duì)加工斷面進(jìn)行冷卻、沖刷.穩(wěn)定的小流量壓力去離子水射流導(dǎo)引激光柔性延伸加工焦點(diǎn),改善加工激光能量分布的同時(shí)實(shí)現(xiàn)去屑、冷卻,使得其軸向加工質(zhì)量、精度得到提高,并提高激光軸向加工能力.本文介紹并闡述了該加工裝置及設(shè)備研發(fā)的若干關(guān)鍵因素:激光全反射入射角度的選擇、光束質(zhì)量、模式、聚焦位置及激光與水射流的耦合精度.對(duì)比了該技術(shù)與超短脈沖激光(飛秒激光)的加工特點(diǎn).闡述了微射流水導(dǎo)激光適當(dāng)控制激光加工熱量,控制激光加工方向,適用于高質(zhì)量大深徑比(約10–100)的深孔、槽、縫的場(chǎng)合以及一些低k絕緣材質(zhì),硬質(zhì)合金、SiC、GaAs、聚晶金剛石等材質(zhì)的高附加值對(duì)象場(chǎng)合.

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圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)典型微射流水導(dǎo)激光與飛秒激光加工質(zhì)量比較[6]

以典型的微秒級(jí)微射流水導(dǎo)激光加工的質(zhì)量與800fs飛秒激光加工為例,短脈沖激光微射流水導(dǎo)激光的加工激光參數(shù)如表1所示.UniversityofPisa的Romolia等人[6]進(jìn)行了表1中20μs的微射流水導(dǎo)激光與800fs激光深度加工斷面的質(zhì)量比較,兩者光束整合應(yīng)用的都....

圖3(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)典型微射流水導(dǎo)激光激光水射流耦合頭裝置.(a)Synova公司切割耦合激光頭;(b)Synova公司的晶圓切割;(c),(d)哈爾濱工業(yè)大學(xué)兩套典型耦合裝置[8,11];(e)清華大學(xué)三軸精細(xì)可調(diào)激光耦合裝置[26];(f)帶軸錐棱鏡的水導(dǎo)激光耦合裝置[25];(g)帶倒置望遠(yuǎn)鏡聚焦微射流水導(dǎo)激光耦合裝置[30]

微射流水導(dǎo)激光的傳輸效率是一個(gè)關(guān)系到加工效率的復(fù)雜關(guān)鍵問題,其傳遞效率受激光與水射流的耦合精度、激光光束能量分布、激光模式以及水層厚度、射流穩(wěn)定性影響.其中,耦合裝置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,其所需考慮相關(guān)因素包括:水層的厚度、入射角度、速度、層流、紊流的具體形態(tài)、噴嘴的形狀形貌、材質(zhì).3.....

圖4(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)微射流水導(dǎo)激光典型激光水射流耦合腔體及前端噴嘴.(a)上端送水,底部噴嘴進(jìn)水的水腔體[10];(b),(c)0.14mm銅噴嘴[10];(d)同層水腔體結(jié)構(gòu);(e)裝配的藍(lán)寶石噴嘴[16];(f)–(h)0.03mm紅寶石噴嘴[30]

穩(wěn)定微水射流可以使得參與加工的激光全反射傳輸于多模水束光纖射流內(nèi),并引導(dǎo)激光至工件待加工表面,同時(shí)沖刷加工后的熔渣甚至重鑄層,并持續(xù)柔性延伸加工激光的焦點(diǎn).由此可見，水束光纖對(duì)于微射流水導(dǎo)激光系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要意義,常見的微射流水導(dǎo)水束光纖直徑為20–200μm.NgEddie....

圖5(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)微射流水導(dǎo)激光典型激光水射流穩(wěn)定傳輸長(zhǎng)度.(a)穩(wěn)定層流長(zhǎng)度;(b)噴嘴對(duì)應(yīng)的湍流長(zhǎng)度;(c)實(shí)測(cè)導(dǎo)光射流長(zhǎng)度[8]

在水射流距離噴嘴較遠(yuǎn)時(shí),相對(duì)于功率密度小的激光,功率密度大的激光會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的非線性受激拉曼散射現(xiàn)象,模式越多的激光傳輸效率越高.選擇合適的工作距離,水束光纖入射角度如表2所示,從而指導(dǎo)了激光的孔徑比、水導(dǎo)激光橫模、水射流工作長(zhǎng)度、腔體內(nèi)對(duì)準(zhǔn)耦合光加工激光功率參數(shù)的選擇.目前,該系....

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