專利名稱：激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光微細(xì)加工工藝技術(shù)，尤其是一種激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝及其裝置。
背景技術(shù)：
激光微細(xì)加工系統(tǒng)可對塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體材料及金屬薄膜等多種材料進(jìn)行加工，加工精度可以達(dá)到微米級。其加工系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料及微電子器件的加工、 生物醫(yī)療器械生產(chǎn)、計算機制造業(yè)、電子通訊等各個領(lǐng)域。激光的直徑可達(dá)幾微米甚至更小，且具有高光子能量，可加熱、融化和氣化所加工的材料。因此，利用這一原理的激光加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于切割、微孔、刻蝕等微細(xì)加工工藝中。但是激光加工也存在加工區(qū)域產(chǎn)生熱損傷的缺陷。為減少加工區(qū)的熱損傷，許多研究者對常規(guī)激光微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行了工藝改進(jìn)，常用的有使用超短脈沖激光加工技術(shù)、微水導(dǎo)激光加工技術(shù)和水射流輔助激光熱振加工技術(shù)1.超短脈沖激光加工技術(shù)通過發(fā)出非常短的脈沖激光(包括皮秒激光和飛秒激光)，以防止沖蝕過程中熱量累積和向材料微組織周圍傳遞。例如皮秒激光和飛秒激光具有極高的光子能量，可以在熱量向工件材料內(nèi)部傳遞前，在很短的時間內(nèi)破壞材料的原子點陣去除加工材料，而不引起工件材料產(chǎn)生融化層和熱應(yīng)力。但是這種方法的材料去除率較低。2.微水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用微水射流的光纖作用引導(dǎo)激光，同時微水射流也起到冷卻加工區(qū)域的作用。這一技術(shù)可以達(dá)到較高的材料去除率，小的熱影響區(qū)。但是，大功率激光和高壓水都會引起微水射流的霧化，影響微水射流的連續(xù)性，從而影響激光束的傳遞、導(dǎo)致加工過程的不穩(wěn)定。另外，激光點的尺寸取決于水射流的大小，難以實現(xiàn)微米級加
工的需求。3.水射流輔助激光熱振加工技術(shù)這一技術(shù)采用激光加熱材料，再利用低壓水射流快速冷卻材料，由熱振引起材料產(chǎn)生裂紋的可控擴展，以達(dá)到去除材料的目的。但是，這種加工技術(shù)不可避免的給加工區(qū)引入了裂紋損傷，而導(dǎo)致加工質(zhì)量的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有傳統(tǒng)激光微細(xì)加工、超短脈沖激光加工、微水導(dǎo)激光加工和水射流輔助激光熱振加工技術(shù)存在的缺陷，提供一種激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝及其裝置。在激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝過程中，激光脈沖能量越大，其加熱軟化區(qū)的寬度約大，因此水射流沖蝕的材料去除率增大，而且切縫寬度和深度增大。高的移動激光脈沖重疊系數(shù)會增大激光加熱軟化區(qū)的寬度，因此會提高水射流沖蝕的材料去除率，同時增大切縫寬度和深度。水射流壓力越高，水射流的沖蝕剪切能力越強，也會導(dǎo)致切縫寬度和深度增大。同時，過大的水射流壓力也會增加沖蝕區(qū)的損傷。水射流沖蝕角度影響沖蝕過程中的沖擊力度和剪切作用，從而影響材料去除率。因此，優(yōu)化以上工藝參數(shù)是提高在激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工加工質(zhì)量的重要手段。本發(fā)明采用一種新的激光材料去除理念，即用激光將材料局部軟化、通過優(yōu)選加工參數(shù)，優(yōu)化加工工藝，同時用水射流沖蝕去除被激光軟化的材料，以達(dá)到對難加工材料的近無損傷加工。本發(fā)明的基本構(gòu)思，包括激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝和后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝為，水射流后置于激光束，并將水射流傾斜，使得激光和水射流同時作用于材料表面；水射流偏置距離即激光束作用點與后置的水射流沖蝕點之間距離的選擇范圍0. 4-0. 8mm;激光束的焦平面位置(fpp)的調(diào)整范圍為根據(jù)不同切割深度和寬度的加工要求，調(diào)整范圍為-0. 6mm-0mm;激光脈沖能量的選擇范圍為 0. 3mJ-0. 6mJ ；移動激光脈沖重疊系數(shù)的選擇范圍為99. 3% -99.9% ；水射流壓力的選擇范圍為5MPa-20MPa;水射流沖蝕角度的選擇范圍為30° -60°。實施激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝的后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置，其結(jié)構(gòu)為，由水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌組成的基體、水平調(diào)節(jié)滑板、垂直調(diào)節(jié)滑板、回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架、水射流單元、激光切割單元構(gòu)成；水平導(dǎo)軌上安裝水平調(diào)節(jié)滑板，水平調(diào)節(jié)滑板上安裝回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架，垂直導(dǎo)軌上安裝垂直調(diào)節(jié)滑板，水平調(diào)節(jié)滑板和垂直調(diào)節(jié)滑板分別由伺服電機驅(qū)動；水射流單元安裝在回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架上，激光切割單元安裝在垂直調(diào)節(jié)滑板上；水射流單元是由水射流噴嘴、水射流噴嘴管、高壓水管路、蓄能器和氣動增壓泵構(gòu)成；激光切割單元由激光切割頭及其光學(xué)系統(tǒng)和精密焦平面位置調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。該裝置配合數(shù)控兩軸移動工作臺應(yīng)用，兩軸移動工作臺安置于后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置下部。為便于控制，水射流噴嘴管內(nèi)徑應(yīng)大于激光焦點，水射流噴嘴管內(nèi)徑最好為 0.57mm。水射流的水壓應(yīng)該盡可能增加剪切力，但又不能損傷工件。激光切割單元使用納秒脈沖光纖激光，其波長IOSOnm ；激光最大的脈沖能量是在42ns時間內(nèi)OmJ-lmJ，頻率范圍 20kHz-100kHzo后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置，通過氣動增壓泵產(chǎn)生0MPa-67MPa的高壓水， 用蓄能器穩(wěn)定水壓；激光切割單元使用納秒脈沖光纖激光，其波長IOSOnm ；激光最大的脈沖能量是在42ns時間內(nèi)OmJ-lmJ，頻率范圍20kHz-100kHz。激光焦平面位置可以通過激光切割頭中具有1 μ m靈敏度的精密焦平面位置調(diào)節(jié)裝置手動調(diào)節(jié)。復(fù)合切割裝置中的水射流單元能實現(xiàn)三個調(diào)整運動。第一個運動是通過垂直調(diào)節(jié)滑板和水平調(diào)節(jié)滑板的聯(lián)動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水射流噴嘴沿其軸線的移動，以實現(xiàn)不同的水射流靶距。第二個運動是通過單獨調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)滑板，使水射流噴嘴可以沿水平移動，以調(diào)節(jié)水射流沖蝕點與激光加熱點之間的相對位置，即調(diào)節(jié)水射流偏置距離。第三個運動是通過調(diào)節(jié)水射流單元轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)支架實現(xiàn)水射流噴嘴的角度調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)水射流沖蝕角度。本發(fā)明的基本原理是不是依靠激光將材料融化或氣化，而是利用激光將材料加熱、軟化，高壓水射流繼而通過高速沖蝕將軟化的材料去除，同時冷卻材料。本發(fā)明與現(xiàn)有激光加工技術(shù)相比，激光加熱、軟化的溫度遠(yuǎn)低于融化或氣化的溫度，既減少了加工熱影響，又降低了加工區(qū)域的能量輸入量，可允許更高的加工速度，而且水射流的冷卻效果更強，進(jìn)一步減少了對材料加工區(qū)域的熱影響，提高了加工質(zhì)量。加工過程中材料的去除以沖蝕去除為主，也包括熱沖擊作用對沖蝕去除的輔助作用。本發(fā)明是一種高效、低耗、穩(wěn)定、近無損傷的精細(xì)加工技術(shù)。
四

圖1為激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝原理圖；圖2為后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為普通激光加工件表面質(zhì)量實體顯微鏡照片；圖4為實施例1工件加工表面質(zhì)量實體顯微鏡照片；圖5為實施例2工件加工表面質(zhì)量實體顯微鏡照片。附圖標(biāo)記1、激光束，2、水射流束，3、水射流噴嘴管，4、工件，5、垂直調(diào)節(jié)滑板，6、垂直導(dǎo)軌， 7、激光切割頭，8、水平導(dǎo)軌，9、水平調(diào)節(jié)滑板，10、水射流單元，11、水射流噴嘴轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)支架，12、水射流噴嘴，13、兩軸移動數(shù)控工作臺，θ、水射流沖蝕角度，L、水射流靶距，f、水射流偏置距離，h、焦點平面距離。
五具體實施例方式本發(fā)明應(yīng)用于單晶硅晶片的精密切割加工，取得了理想的加工效果。結(jié)合圖1、圖 2詳細(xì)描述本發(fā)明的實施過程。實施例1 加工厚度為700 μ m的單晶硅晶片，材料性能如表1。表1單晶硅晶片材料性能
權(quán)利要求
1.激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝，其特征為激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝為， 水射流后置于激光束，并將水射流傾斜，使得激光和水射流同時作用于材料表面；水射流偏置距離即激光束作用點與后置的水射流沖蝕點之間距離的選擇范圍為0. 4-0. 8mm ；激光束的焦平面位置(fpp)的調(diào)整范圍為根據(jù)不同切割深度和寬度的加工要求，調(diào)整范圍為-0. 6mm-0mm ；激光脈沖能量的選擇范圍為0. 3mJ-0. 6mJ ；移動激光脈沖重疊系數(shù)的選擇范圍為99. 3% -99.9% ；水射流壓力的選擇范圍為5MPa-20MPa ；水射流沖蝕角度的選擇范圍為30° -60°。
2.實施權(quán)利要求1加工工藝的后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置，配合數(shù)控兩軸移動工作臺應(yīng)用，兩軸移動工作臺安置于后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置的激光切割單元下部，其特征為由水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌組成的基體、水平調(diào)節(jié)滑板、垂直調(diào)節(jié)滑板、回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架、水射流單元、激光切割單元構(gòu)成；水平導(dǎo)軌上安裝水平調(diào)節(jié)滑板，水平調(diào)節(jié)滑板上安裝回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架，垂直導(dǎo)軌上安裝垂直調(diào)節(jié)滑板，水平調(diào)節(jié)滑板和垂直調(diào)節(jié)滑板分別由伺服電機驅(qū)動；水射流單元安裝在回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架上，激光切割單元安裝在垂直調(diào)節(jié)滑板上；水射流單元是由水射流噴嘴、水射流噴嘴管、高壓水管路、蓄能器和氣動增壓泵構(gòu)成；激光切割單元由激光切割頭及其光學(xué)系統(tǒng)和精密焦平面位置調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的后偏置激光-水射流復(fù)合切割裝置，其特征為所述的水射流噴嘴管內(nèi)徑最好為0. 57mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光微細(xì)加工工藝技術(shù)，尤其是一種激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工工藝及其裝置。復(fù)合微細(xì)加工工藝為，水射流后置于激光束，并將水射流傾斜，同時作用于材料表面；水射流偏置距離的參數(shù)為水射流偏置距離即激光束作用點與后置的水射流沖蝕點之間距離范圍為0.4-0.8mm；激光束的焦平面位置(fpp)參數(shù)為-0.6mm-0mm；激光脈沖能量參數(shù)0.3mJ-0.6mJ；移動激光脈沖重疊系數(shù)為99.3％-99.9％；水射流壓力為5MPa-20MPa，水射流沖蝕角度為30°-60°。本發(fā)明裝置由水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌組成的基體、水平滑板、垂直滑板、回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)支架、水射流單元、激光切割單元構(gòu)成。本發(fā)明的激光加熱、軟化的溫度遠(yuǎn)低于融化或氣化的溫度，減少了對材料加工區(qū)域的熱影響，實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定、近無損傷的精細(xì)加工。
文檔編號B23K26/14GK102528280SQ20121001273
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉含蓮, 劉增文, 朱洪濤, 鄒斌, 黃傳真 申請人:山東大學(xué)