專利名稱：一種微水柱導引激光微細加工裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于精密加工技術(shù)領域，具體涉及激光微細加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著精密和超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，激光與其它加工技術(shù)的復合逐漸成為加工制造領域的主流技術(shù)。微水導激光加工技術(shù)將特定波長的聚焦激光束導入作為光纖的高速流動的水束，激光在水與空氣界面發(fā)生多次全反射后形成高能量束流射到工件表面，實現(xiàn)對工件的微細加工。與傳統(tǒng)激光微加工技術(shù)ZL02138076. 7摩擦副表面的激光復合處理方法；申請?zhí)?00610039758. 1 一種激光表面微造型方法相比較，由于在加工過程中水束光纖射流對激光能量有均勻化作用、對工件有冷卻、沖洗作用，因而水導引激光微加工技術(shù)具有加工精度高、加工應力極小、熱影響區(qū)小、無熱熔渣、加工邊緣整齊和加工效率高等優(yōu)點，但該技術(shù)對于激光與水束光纖的精確耦合有著很高的要求。激光與水束光纖的精確耦合是實現(xiàn)水導激光微細加工的關(guān)鍵技術(shù)，也是直接影響其技術(shù)應用效果的難點所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的微水柱導引激光微細加工方法及裝置，以解決聚焦激光與水束光纖的耦合調(diào)整問題。本發(fā)明為達到上述目的的技術(shù)方案是
一種微水柱導引激光微細加工裝置，其包括支撐套管、水箱、噴嘴和光學聚焦透鏡；所述支撐套管中水平安裝光學聚焦透鏡，光學聚焦透鏡與Z方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接； 所述支撐套管下端口安裝水箱，所述水箱通過進水管接頭連接高壓水系統(tǒng)；所述水箱的頂端正中為石英窗戶，正對支撐套管下端口中心，水箱的底端正中設置噴嘴，光學聚焦透鏡的聚焦點正好落在噴嘴的微孔中心；所述水箱還與水平X和Y方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接。進一步，所述Z方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括調(diào)節(jié)螺釘、調(diào)節(jié)螺母和鎖緊螺母； 在支撐套管的管壁上設置周向均勻分布三個調(diào)節(jié)窗，所述調(diào)節(jié)螺釘從調(diào)節(jié)窗伸進管內(nèi)，連接在光學聚焦透鏡的透鏡座，調(diào)節(jié)螺釘外端裝配在調(diào)節(jié)螺母的內(nèi)環(huán)槽中，調(diào)節(jié)螺母螺紋裝配在支撐套管上，并由鎖緊螺母鎖緊。隨調(diào)節(jié)螺母的轉(zhuǎn)動帶動調(diào)節(jié)螺釘上下移動，從而可以調(diào)節(jié)透鏡座的軸向位置。所述水平X和Y方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括支撐塊、微調(diào)螺釘和固定螺釘，所述支撐塊豎向固定在支撐套管下端口的側(cè)邊，且位于水箱的外側(cè)；所述微調(diào)螺釘水平連接在支撐塊上，有四個，兩兩相對設置在水平X方向和Y方向，頂端抵觸水箱側(cè)壁；所述固定螺釘軸向連接并固定水箱和支撐套管。本發(fā)明微水柱導引激光微細加工裝置中，激光焦斑與噴嘴孔中心之間進行X Y平面耦合對準的調(diào)節(jié)方法為(以X方向為例)微微松開固定螺釘，調(diào)節(jié)微調(diào)螺釘來調(diào)整噴嘴孔中心和激光焦斑中心的X方向相對位置，通過放置在水束光纖下的能量計檢測耦合傳導激光能量的效率，使得耦合傳導激光能量的效率最高的X向相對位置，即為耦合對準所需的X向位置，然后調(diào)節(jié)耦合對準所需的Y方向相對位置(調(diào)節(jié)方法同X方向)。x、Y方向均調(diào)整到位后，擰緊固定螺釘。在XY平面耦合位置調(diào)整好之后，激光焦斑與噴嘴孔中心之間Z方向耦合對準的調(diào)節(jié)方法為通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺母的軸向位置，帶動調(diào)節(jié)螺釘、透鏡座和光學聚焦透鏡一起上下移動，來調(diào)整激光焦斑中心和噴嘴孔中心的Z向相對位置，同時通過放置在水束光纖下的能量計檢測耦合傳導激光能量的效率，使得耦合傳導激光能量的效率最高的Z向相對位置，即為耦合對準所需的Z向相對位置。Z方向調(diào)整到位后，擰緊鎖緊螺母?？梢?，本裝置由于設計了水平方向和高度方向的激光耦合對準的調(diào)節(jié)機構(gòu)，即安裝在支撐套管上的軸向調(diào)整機構(gòu)及端面徑向調(diào)整機構(gòu)，實現(xiàn)激光焦斑與噴嘴孔中心的三維相對位置的精確調(diào)整，保證水導激光微細加工中聚焦激光與水束光纖的耦合效果。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、加工精度高、加工應力極小、熱影響區(qū)小、無熱熔渣重鑄、工作可靠、成本低、 易于制造和調(diào)整的特點，在微電子、航空制造、機械、醫(yī)學等加工領域中具有很好推廣應用前景。


圖1是微水柱導引激光微細加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1 一支撐套管，2—調(diào)節(jié)螺釘，3—調(diào)節(jié)螺母，4一鎖緊螺母，5—支撐塊，6—微調(diào)螺釘，7—水箱，8—水束光纖，9一噴嘴，10—密封墊，11 一水腔，12—進水管接頭，13—固定螺釘，14一石英窗戶，15—透鏡座，16—光學聚焦透鏡。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)
如圖1所示，本微水柱導引激光微細加工裝置包括支撐套管1、水箱7、噴嘴9和光學聚焦透鏡16等，所述支撐套管1中水平安裝有光學聚焦透鏡16，光學聚焦透鏡16與Z方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接。所述支撐套管1下端口安裝水箱7，水箱通過進水管接頭12連接加壓水源。水箱7的頂端正中為石英窗戶14，正對支撐套管1下端口中心，水箱7的底端正中設置噴嘴9，光學聚焦透鏡16的聚焦點正好落在噴嘴的微孔中心。水箱7還與水平X 和Y方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接。Z方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括調(diào)節(jié)螺釘2、調(diào)節(jié)螺母3和鎖緊螺母4。在支撐套管1的管壁上設置周向均勻分布三個調(diào)節(jié)窗，調(diào)節(jié)螺釘2從調(diào)節(jié)窗伸進管內(nèi)，連接光學聚焦透鏡的透鏡座，調(diào)節(jié)螺釘2外端裝配在調(diào)節(jié)螺母3的內(nèi)環(huán)槽中，調(diào)節(jié)螺母螺紋裝配在支撐套管上，并由鎖緊螺母4鎖緊。水平X和Y方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括支撐塊5、微調(diào)螺釘6和固定螺釘13。 支撐塊5豎向固定在支撐套管1下端口的側(cè)邊，且位于水箱的外側(cè)。微調(diào)螺釘6水平連接在支撐塊5上，有四個，兩兩相對設置在水平X方向和Y方向，頂端抵在水箱7側(cè)壁。四個固定螺釘13軸向連接并固定水箱和支撐套管。激光束(圖中箭頭所示)由支撐套管上方導入，經(jīng)過光學聚焦透鏡，穿過石英窗戶及一個加壓的水腔11的薄水層，被聚焦到噴嘴的微孔的中心后，耦合進入低壓微水柱中。從噴嘴處流出的微水柱通過水和空氣之間界面的全反射引導激光束。同時，微水柱可冷卻工件上被切割和燒熱的部分，去除熔融材料。高壓純凈水從液壓系統(tǒng)進入水腔，經(jīng)鉆石噴嘴上的微孔噴出形成水束光纖，其有效長度達到幾毫米到十幾毫米，這是僅能在焦點處才能完成加工的傳統(tǒng)激光微加工所無法實現(xiàn)的。 本發(fā)明在調(diào)整激光焦斑與噴嘴孔中心的三維相對位置及具體實施激光加工時，應注意如下幾個方面
1.由于噴嘴孔尺寸和聚焦光斑尺寸均很小，水平方向位移調(diào)整量也很小，因此松開螺釘13時應該微微松開，調(diào)節(jié)螺釘6時只能輕微調(diào)節(jié)；
2.透鏡座15與支撐套管1之間、調(diào)節(jié)螺釘2與調(diào)節(jié)螺母3內(nèi)環(huán)槽之間配合精度要求高，留有足夠的滑動間隙即可，不宜過大；
3.在保證聚焦光斑小的同時，應盡量減小聚焦點上激光束的發(fā)散角，保證激光在微水柱中的傳播率；
4.調(diào)節(jié)穩(wěn)定足夠的水壓，保證微水柱的良好水束光纖性能。
權(quán)利要求
1.一種微水柱導引激光微細加工裝置，其包括支撐套管(1)、水箱(7)、噴嘴(9)和光學聚焦透鏡(16)；其特征在于在所述支撐套管(1)中通過透鏡座(15)水平安裝光學聚焦透鏡(16)，透鏡座(15)與支撐套管(1)上的Z方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接；在所述支撐套管下端口安裝水箱(7)，所述水箱通過進水管接頭(12)連接高壓水系統(tǒng)；所述水箱的頂端正中為石英窗戶(14)，正對支撐套管下端口中心，水箱的底端正中設置噴嘴(9)，光學聚焦透鏡的聚焦點正好落在噴嘴的微孔中心；所述水箱還與支撐套管(1)上的水平X和Y方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微水柱導引激光微細加工裝置，其特征在于所述Z方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括調(diào)節(jié)螺釘(2)、調(diào)節(jié)螺母(3)和鎖緊螺母(4);在支撐套管(1)的管壁上設置周向均勻分布三個調(diào)節(jié)窗，所述調(diào)節(jié)螺釘(2)從調(diào)節(jié)窗伸進管內(nèi)，連接光學聚焦透鏡的透鏡座(15)，調(diào)節(jié)螺釘(2)外端裝配在調(diào)節(jié)螺母(3)的內(nèi)環(huán)槽中，調(diào)節(jié)螺母(3)螺紋裝配在支撐套管上，并由鎖緊螺母(4)鎖緊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微水柱導引激光微細加工裝置，其特征在于所述水平X 和Y方向噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括支撐塊(5)、微調(diào)螺釘(6)和固定螺釘(13)，所述支撐塊 (5)豎向固定在支撐套管下端口的側(cè)邊，且位于水箱的外側(cè)；所述微調(diào)螺釘(6)水平連接在支撐塊上，有四個，兩兩相對設置在水平X方向和Y方向，頂端抵觸水箱側(cè)壁；所述固定螺釘 (13)軸向連接并固定水箱和支撐套管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微水柱導引激光微細加工裝置，其包括支撐套管、水箱、噴嘴和光學聚焦透鏡；在所述支撐套管中通過透鏡座水平安裝光學聚焦透鏡，透鏡座與Z方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接；在所述支撐套管下端口安裝水箱，所述水箱通過進水管接頭連接高壓水系統(tǒng)；所述水箱的頂端正中為石英窗戶，正對支撐套管下端口中心，水箱的底端正中設置噴嘴，光學聚焦透鏡的聚焦點正好落在噴嘴的微孔中心；所述水箱還與水平X和Y方向的噴嘴孔中心調(diào)節(jié)機構(gòu)連接。本裝置水平方向和高度方向的激光耦合對準的調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)激光焦斑與噴嘴孔中心的三維相對位置的精確調(diào)整，保證水導激光微細加工中聚焦激光與水束光纖的耦合效果。
文檔編號B23K26/04GK102500928SQ20111033491
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者余長東, 倪健, 華?？? 尹必峰, 張云平, 張培耘, 王勻, 符永宏 申請人:重慶長安汽車股份有限公司