一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，包括以下步驟：S10、確定陶瓷工件上的鉆孔區(qū)域，將鉆孔區(qū)域分為環(huán)形刻蝕區(qū)和位于該環(huán)形刻蝕區(qū)內(nèi)的圓形鉆孔區(qū)；S20、使用激光對(duì)所述環(huán)形刻蝕區(qū)進(jìn)行刻蝕加工，同時(shí)同軸噴射輔助氣體；S30、所述環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔加工完成后，即為環(huán)形噴射區(qū)，使用激光對(duì)所述圓形鉆孔區(qū)進(jìn)行鉆孔加工，同軸噴射所述輔助氣體，同時(shí)使射流系統(tǒng)沿環(huán)形刻蝕區(qū)噴射液體，利用射流對(duì)輔助氣體進(jìn)行封鎖，提高氣體的輔助效果。本發(fā)明專利技術(shù)通過(guò)使用激光在環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔時(shí)同軸噴射輔助氣體以及在圓形鉆孔區(qū)鉆孔時(shí)輔助射流，可及時(shí)沖走熔渣，降低鉆孔時(shí)的溫度，進(jìn)而降低重鑄層的厚度，減少甚至避免微裂紋的產(chǎn)生，提高加工質(zhì)量。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及硬脆材料的激光加工技術(shù)，具體涉及一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法。
技術(shù)介紹
激光加工因具有能量高、易控制、與被加工工件非接觸等特點(diǎn)成為廣泛應(yīng)用的加工方法。對(duì)于硬脆材料，如陶瓷，激光加工在工件上產(chǎn)生的微裂紋、重鑄層、熱影響區(qū)等嚴(yán)重影響了加工的質(zhì)量。加工中產(chǎn)生的熔渣易沉淀在被加工表面，阻礙材料對(duì)激光束的能量吸收，限制了可加工的工件厚度。目前，通常采用噴射輔助氣體吹走熔渣，并降低加工區(qū)域的溫度。當(dāng)激光加工到一定深度時(shí)，氣體的輔助作用明顯減少，可加工陶瓷工件的厚度受限，直接影響加工效率、加工質(zhì)量與精度，甚至使工件報(bào)廢。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，以減少陶瓷工件在加工過(guò)程中的微裂紋的產(chǎn)生，增加可加工陶瓷工件的厚度，提高加工質(zhì)量和精度。為達(dá)上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：提供一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，包括以下步驟：S10、確定陶瓷工件上的鉆孔區(qū)域，將鉆孔區(qū)域分為環(huán)形刻蝕區(qū)和位于該環(huán)形刻蝕區(qū)內(nèi)的圓形鉆孔區(qū)；S20、使用激光對(duì)所述環(huán)形刻蝕區(qū)進(jìn)行刻蝕加工，同時(shí)同軸噴射輔助氣體；通過(guò)同軸噴射輔助氣體可及時(shí)沖走熔渣，降低環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔時(shí)的溫度，進(jìn)而降低重鑄層的厚度，減少甚至避免微裂紋的產(chǎn)生。S30、所述環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔加工完成后，即為環(huán)形噴射區(qū)，使用激光對(duì)所述圓形鉆孔區(qū)進(jìn)行鉆孔加工，同軸噴射所述輔助氣體，同時(shí)使射流系統(tǒng)沿所述環(huán)形噴射區(qū)噴射液體。本專利技術(shù)中，激光包括低能量激光和高能量激光，兩者的鉆孔加工參數(shù)不同。其中，步驟S20中使用的是低能量激光，步驟S30中使用的是高能量激光。本專利技術(shù)中，通過(guò)同軸噴射輔助氣體可以沖走陶瓷工件在加過(guò)過(guò)程中產(chǎn)生的熔渣；射流系統(tǒng)沿環(huán)形刻蝕區(qū)噴射液體，并與輔助氣體相結(jié)合，可以利用射流對(duì)輔助氣體造成封鎖，以提高輔助氣體的作用，使輔助氣體及時(shí)沖走熔渣圓形鉆孔區(qū)，降低圓形鉆孔區(qū)的加工溫度，提高加工質(zhì)量。于本專利技術(shù)中，陶瓷工件可以為氧化鋁陶瓷或者其他硬脆材料。作為本專利技術(shù)的優(yōu)選方案，所述步驟S30中圓形鉆孔區(qū)，也可以固定所述射流系統(tǒng)并旋轉(zhuǎn)所述陶瓷工件，以使所述輔助氣體及時(shí)沖走熔渣其中，所述射流系統(tǒng)的噴嘴直徑為0.1～1mm，噴射角度為70～90°，噴射的液體的壓力為5～20bar。其中，所述液體為水。其中，所述輔助氣體選自空氣、氮?dú)狻鍤饣蜓鯕庵械娜我庖环N。其中，激光鉆孔加工參數(shù)為：激光的波長(zhǎng)為1064nm，激光的脈沖寬度為10～200ns，輸出功率為10～20W，重復(fù)頻率為2～1000KHz，離焦量為-2～2mm。其中，所述步驟S10之前以及所述步驟S30之后均包括以下步驟：將陶瓷工件置于有機(jī)溶劑中進(jìn)行超聲清洗，然后采用烘箱烘干。在陶瓷工件加工前以及加工完成后采用有機(jī)溶劑對(duì)其進(jìn)行超聲清洗，以去除陶瓷工件表面的雜質(zhì)和污染物。其中，所述有機(jī)溶劑為酒精或丙酮。其中，所述超聲清洗的時(shí)間為15～20min。本專利技術(shù)的有益效果為：本專利技術(shù)通過(guò)使用激光在環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔時(shí)同軸噴射輔助氣體以及在圓形鉆孔區(qū)鉆孔時(shí)輔助射流，可利用射流對(duì)輔助氣體造成封鎖，提高輔助氣體及時(shí)沖走熔渣的效果，降低鉆孔時(shí)的溫度，進(jìn)而降低重鑄層的厚度，減少甚至避免微裂紋的產(chǎn)生，提高加工質(zhì)量。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例的陶瓷工件(正面)的鉆孔流程示意圖。圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例的陶瓷工件(橫截面)的鉆孔流程示意圖。圖中：1、陶瓷工件；2、環(huán)形刻蝕區(qū)；3、圓形鉆孔區(qū)；4、環(huán)形噴射區(qū)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合圖1和圖2并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本專利技術(shù)的技術(shù)方案。本專利技術(shù)以氧化鋁陶瓷材質(zhì)的陶瓷工件的鉆孔方法為例，對(duì)本專利技術(shù)的射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1步驟1：將陶瓷工件1置于酒精中超聲清洗15min，并用烘箱烘干；步驟2：將陶瓷工件1固定于三維精密加工平臺(tái)上，使用低能量激光對(duì)陶瓷工件1進(jìn)行環(huán)形刻蝕區(qū)2刻蝕加工，同時(shí)向材料表面同軸噴射輔助氣體(激光加工參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度為100ns，輸出功率為10W，重復(fù)頻率為500kHz，離焦量為1mm；所述氣體為空氣，噴射壓力為20bar)；步驟3：加工完成后，三維精密加工平臺(tái)移動(dòng)陶瓷工件1，使步驟2加工區(qū)域的圓心與激光光斑中心重合，使用高能量激光對(duì)圓形鉆孔區(qū)3進(jìn)行鉆孔加工(激光加工參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度為200ns，輸出功率為15W，重復(fù)頻率為1000kHz，離焦量為-1mm；所述氣體為空氣，噴射壓力為15bar)，同時(shí)使用射流系統(tǒng)向材料表面沿步驟2加工的環(huán)形噴射區(qū)4垂直噴射液體(所述液體為水，射流系統(tǒng)的壓力為20bar，噴嘴直徑為0.2mm，噴射壓力為20bar)；步驟4：取下陶瓷工件1，置于酒精中超聲清洗15min，并用烘箱烘干。實(shí)施例2步驟1：將陶瓷工件1置于酒精中超聲清洗20min，并用烘箱烘干；步驟2：將陶瓷工件1固定于三維精密加工平臺(tái)上，使用低能量激光對(duì)陶瓷工件1進(jìn)行環(huán)形刻蝕區(qū)2刻蝕加工，同時(shí)向材料表面同軸噴射輔助氣體(激光加工參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度為50ns，輸出功率為15W，重復(fù)頻率為300kHz，離焦量為-2mm；所述氣體為氮?dú)猓瑖娚鋲毫?0bar)；步驟3：加工完成后，三維精密加工平臺(tái)移動(dòng)陶瓷工件，使步驟2加工區(qū)域的圓心與激光光斑中心重合，使用高能量激光對(duì)圓形鉆孔區(qū)3進(jìn)行鉆孔加工(激光加工參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度為100ns，輸出功率為20W，重復(fù)頻率為500kHz，離焦量為1mm；所述氣體為氮?dú)猓瑖娚鋲毫?0bar)，同時(shí)使用射流系統(tǒng)向材料表面沿步驟2加工的環(huán)形噴射區(qū)4垂直噴射液體(所述液體為水，射流系統(tǒng)的壓力為20bar，噴嘴直徑為0.5mm，噴射壓力為20bar)；步驟4：取下陶瓷工件1，置于酒精中超聲清洗20min，并用烘箱烘干。實(shí)施例3步驟1：將陶瓷工件1置于酒精中超聲清洗15min，并用烘箱烘干；步驟2：將陶瓷工件1固定于三維精密加工平臺(tái)上，使用低能量激光對(duì)陶瓷工件進(jìn)行環(huán)形刻蝕區(qū)2刻蝕加工，同時(shí)向材料表面同軸噴射輔助氣體(激光加工參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度為100ns，輸出功率為10W，重復(fù)頻率為500kHz，離焦量為2mm；所述氣體為氬氣，噴射壓力為5bar)；步驟3：加工完成后，三維精密加工平臺(tái)移動(dòng)陶瓷工件1，使步驟2加工區(qū)域的圓心與激光光斑中心重合，使用高能量激光對(duì)圓形鉆孔區(qū)3進(jìn)行鉆孔加工(激光加工參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度為150ns，輸出功率為15W，重復(fù)頻率為800kHz，離焦量為1mm；所述氣體為氬氣，噴射壓力為5bar)，同時(shí)使用射流系統(tǒng)向材料表面沿步驟2加工的環(huán)形噴射區(qū)4垂直噴射液體(所述液體為水，射流系統(tǒng)的壓力為20bar，噴嘴直徑為1mm，噴射壓力為20bar)；步驟4：取下陶瓷工件1，置于酒精中超聲清洗20min，并用烘箱烘干。采用上述實(shí)施例1～3的方法對(duì)陶瓷工件進(jìn)行鉆孔加工，陶瓷工件的表面以及孔壁上沒(méi)有任何微裂紋的產(chǎn)生，重鑄層的厚度降低，而且加工錯(cuò)稱重沒(méi)有熔渣產(chǎn)生，增加了可加工陶瓷工件的厚度，使陶瓷工件具有高加工高精度和高加工質(zhì)量。以上實(shí)施例僅用來(lái)說(shuō)明本專利技術(shù)的詳細(xì)方法，本專利技術(shù)并不局限于上述詳細(xì)方法，即不意味著本專利技術(shù)必須依賴上述詳細(xì)方法才能實(shí)施。所屬
的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本專利技術(shù)的任何改進(jìn)，對(duì)本專利技術(shù)產(chǎn)品各原料的等本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，其特征在于，包括以下步驟：S10、確定陶瓷工件上的鉆孔區(qū)域，將鉆孔區(qū)域分為環(huán)形刻蝕區(qū)和位于該環(huán)形刻蝕區(qū)內(nèi)的圓形鉆孔區(qū)；S20、使用激光對(duì)所述環(huán)形刻蝕區(qū)進(jìn)行刻蝕加工，同時(shí)同軸噴射輔助氣體；S30、所述環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔加工完成后，即為環(huán)形噴射區(qū)，使用激光對(duì)所述圓形鉆孔區(qū)進(jìn)行鉆孔加工，同軸噴射所述輔助氣體，同時(shí)使射流系統(tǒng)沿所述環(huán)形噴射區(qū)噴射液體。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，其特征在于，包括以下步驟：S10、確定陶瓷工件上的鉆孔區(qū)域，將鉆孔區(qū)域分為環(huán)形刻蝕區(qū)和位于該環(huán)形刻蝕區(qū)內(nèi)的圓形鉆孔區(qū)；S20、使用激光對(duì)所述環(huán)形刻蝕區(qū)進(jìn)行刻蝕加工，同時(shí)同軸噴射輔助氣體；S30、所述環(huán)形刻蝕區(qū)鉆孔加工完成后，即為環(huán)形噴射區(qū)，使用激光對(duì)所述圓形鉆孔區(qū)進(jìn)行鉆孔加工，同軸噴射所述輔助氣體，同時(shí)使射流系統(tǒng)沿所述環(huán)形噴射區(qū)噴射液體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，其特征在于，固定所述射流系統(tǒng)并旋轉(zhuǎn)所述陶瓷工件，以使所述輔助氣體及時(shí)沖走熔渣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，其特征在于，所述射流系統(tǒng)的噴嘴直徑為0.1～1mm，噴射角度為70～90°，噴射的液體的壓力為5～20bar。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射流和氣體輔助激光的陶瓷鉆孔方法，其特征在于，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王成勇，王宏建，林華泰，鄭李娟，胡小月，伍尚華，王啟民，郭偉明，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：廣東工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東;44