[发明专利]激光诱导低压射流复合刻蚀加工方法及装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种难加工材料毫米级切割、打孔、开槽等加工的方法，尤其涉及一种利用激光刻蚀、水射流加工和化学腐蚀的复合加工方法，同时涉及一种该方法专用的加工装置。

二、背景技术

水射流加工和激光刻蚀是最近三十年来才逐渐成熟起来的加工工艺，由于其具有较好的加工优越性，故而广泛应用在微电子器件加工、精密机械加工等行业。在电子和精密机械等行业，经常需要精密加工各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的金属与非金属材料，如经常需要对精细陶瓷石英、金刚石、硅、以及各种高合金钢这类材料进行加工。这类材料的特点是切削力大(磨削力大)，不易产生剪切变形，难以利用普通的机械方法进行加工。为了加工这类材料，人们发明了各种加工方法，其中激光刻蚀加工是一个重要的加工方法。激光刻蚀加工是利用经过聚焦的高密度能量直接作用在材料上，通过熔化、蒸发和喷射等形式实现物质的转移而进行材料的加工，其特点是效率高、速度快、质量较好。激光刻蚀加工技术在电子等行业已经广泛用来进行器件加工。但由于激光刻蚀加工主要是利用高密度能量通过熔化、蒸发和喷射来实现材料加工，因此，往往在材料加工表面不可避免存在由于热应力而产生的微裂纹，以及在加工表面粘附着熔渣，从而影响加工产品的合格率和加工质量，另外，激光刻蚀加工过程由蒸发和喷射产生的微颗粒灰尘，也影响了精密器件加工质量和性能。为避免上述缺点和提高刻蚀效率，多年来一直有人试图结合利用化学刻蚀技术，研究一种复合刻蚀加工技术来尝试进行材料精密刻蚀加工，以提高材料的刻蚀速率和质量。激光诱导湿刻是将激光与传统的化学刻蚀相结合的复合加工方法。它利用激光的热化学效应对材料进行刻蚀，即在激光照射区，金属表面的钝化膜在化学和物理作用下被溶解或剥离。同时，当激光照射到金属表面时，使激光作用附近区域的腐蚀液温度升高，使腐蚀液形成温度梯度，产生强烈的微对流，从而把更多的反应离子带到光照区，而反应产物则被带离光照区，这样，光照区和非光照区刻蚀速率明显不同，从而可以实现对金属进行选择性刻蚀。这种工艺具有刻蚀效率高、刻蚀速率易控、刻蚀温度低、刻蚀深度比大等优点，因此得到较为广泛的研究与应用，如利用该法可以在各种透明材料上制作出具有较高性能的光学器件和方形盲孔阵列等微结构。

目前国内外关于去除材料表面微裂纹、热影响区和熔渣研究的主要技术措施包括：电化学辅助激光加工、水射流引导激光加工、化学辅助激光加工、后续光整加工等，以上研究的方法，虽然在一定程度上提高了材料的刻蚀速率和刻蚀质量，但如果用来进行批量生产，离实际需要还有比较大的差距，特别是利用这种复合加工方法进行大尺度(如数毫米以上)加工，加工速度远不能满足要求；另外，由于刻蚀加工的产物不容易排除干净又重新粘附和沉淀在刻蚀加工表面而影响了刻蚀表面质量。这些工艺技术没有很好的解决微裂纹、熔渣等表面质量问题。因此研究出一种激光复合加工技术来解决对难加工材料的大尺度精密加工的加工表面质量问题很有必要，其工程应用前景是很广的。

在综合分析以上介绍的背景技术基础上，借鉴激光刻蚀、水射流加工、化学腐蚀加工的技术原理，创新提出了激光诱导低压射流复合刻蚀加工工艺技术并发明设计了相应装置，该工艺一方面充分利用一定速率的介质射流的动能冲击作用，对被加工材料进行冲蚀，从而可以显著提高激光诱导刻蚀的速率。另一方面快速流动的介质可以比较干净和快速地把熔渣和腐蚀产物带走，避免这些产物粘附和沉淀在加工试样表面，能显著提高刻蚀表面质量。这种技术方法的研究利用射流加工对加工表面没有热影响和加工表面质量比较高的特点，同时只需要采用比较低的射流压力，可以避免使用比较复杂而价值较贵的高压射流设备和喷头。激光诱导低压射流复合刻蚀技术可以对材料的高效而清洁的切割、打孔和开槽等加工。这种工艺技术为实现对难加工材料的高效清洁加工有很重要的意义。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种可对难加工材料实现毫米级的切割、打孔和开槽等加工，并可消除加工表面微裂纹、热影响区、熔渣等表面质量问题，实现清洁高效加工的方法，同时提供该方法专用的的加工装置。