[发明专利]一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及激光加工的应用领域，具体为一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法。

背景技术：

陶瓷具有优良的高温力学性能，抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良性能。它在石油化学工业、宇航和汽车工业等领域中备受青睐，这些领域有的需要在陶瓷表面刻圆槽，有的需要在其表面打圆孔。但是，由于陶瓷的高硬脆性，常规的机械加工存在刀具磨损严重，加工表面粗糙等缺陷，而采用电火花、超声波等特种加工时，依然存在效率低的缺点。

激光加工是指把激光照射到工件上，通过高度聚集的光能转变成热能，使被加工部位熔融和蒸发，实现材料去除的过程，它被誉为“万能加工工具”。激光刻蚀技术作为激光加工技术中的一种，它使得激光刻蚀陶瓷这类难加工材料变成了现实，但由于激光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，因而材料表面会存在比较严重的再铸层和不可避免的残余热应力和微裂纹，影响了材料的表面加工质量。

发明内容：

基于激光刻蚀陶瓷过程中存在的各种问题，本发明通过引入水射流技术，利用水射流-激光刻蚀陶瓷的新方法，以期去除陶瓷表面的熔渣、并降低再铸层厚度、减少热影响区等等，从而提高加工表面的质量。

本发明所述一种水射流-激光刻蚀陶瓷的装置及方法，该装置包括：

(1)激光系统；

(2)水射流系统。

在本发明中，所述激光系统的脉冲激光电流强度为150±50A，脉冲宽度为0.6+0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s。

在本发明中，所述水射流系统通过安装在喷嘴上的医用针头喷出水射流束，医用针头直径为0.9mm，喷嘴位置由手摇轮和直线导轨调节。

在本发明中，逆时针转动手摇轮，可以通过支撑杆增加喷嘴与加工位置的垂直距离；顺时针转动手摇轮，可以通过支撑杆减小喷嘴与加工位置的垂直距离。

在本发明中，滑动直线导轨可以改变喷嘴与加工位置的水平距离。

在本发明中，调节手摇轮和直线导轨，水射流束与激光束的角度为45±15°，水射流束的流速为16±4m/s。

在本发明中，根据所述的装置进行水射流-激光刻蚀陶瓷的方法，包括以下步骤：

(1)确定陶瓷尺寸及加工位置；

(2)确定激光系统工艺参数和水射流系统工艺参数；

(3)确定激光扫描速度和扫描路径；

(4)激光和水射流按照扫描路径进行刻蚀加工。

在本发明中，所述水射流束和激光束同时加工陶瓷。

在本发明中，所述扫描路径为直线型或者环形，在横向进给时，激光束只空走，而不发送脉冲。

本发明具有的有益效果：

(1)水射流装置简单，成本低，加工过程中没有化学液体参与，对环境污染小；

(2)水射流的冲刷作用能够有效减少陶瓷表面熔渣、降低再铸层厚度，水射流的冷却作用能够显著缩小热影响区；

(3)利用水射流-激光刻蚀陶瓷技术，能够在陶瓷表面刻蚀出加工表面质量良好的凹槽。

附图说明：

图1为本发明加工方法所需的装置结构图。

其中：1、工作台；2、陶瓷片3、激光头；4、辅助气体氧气；5、激光束；6、水射流束；7、反射镜；8、医用针头；9、喷嘴；10、手摇轮；11、支撑杆；12、喷枪；13、直线导轨；14、泵；15、水管；16、水箱；17、V带；18、电动机

图2为本发明实施一种水射流-激光刻蚀陶瓷的加工方法流程图。

图3为本发明实施的激光扫描路径为直线型路径。

其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点

图4为本发明实施的激光扫描路径为环型路径。

其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点

具体实施方式：

为了使本发明能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括激光系统和水射流系统，激光系统是主体，激光束(5)的烧蚀作用能够在陶瓷表面刻蚀出相应的凹槽，水射流系统起辅助作用，水射流束(6)的冲蚀作用有效地减少刻槽表面的熔渣。

激光系统的脉冲激光电流强度为150+50A，脉冲宽度为0.6+0.2ms，脉冲频率为30±10Hz，扫描速度为0.8±0.2mm/s，激光刻蚀陶瓷深度为纳米级，所需激光系统的工艺参数不能过大。