（测试计量技术及仪器专业论文）新型水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着精密加工和超精密加工技术的不断发展，激光与其他加工技术的复合 逐渐成为加工制造领域的主流技术。在激光复合加工技术中，激光与水射流复 合加工技术，即水导引激光加工技术是激光加工技术发展的一个新方向。与传 统激光加工技术相比较，水导引激光加工技术具有加工距离长、热影响区小、 无热熔渣和加工效率高等优势，已在微电子、航空制造、机械、医学等加工领 域中得到应用。 然而，现有的水导引激光加工技术采用传统聚焦透镜光学系统，不可避免 地存在精密调焦、离焦发散角对耦合条件的影响以及聚焦光学系统的像差等问 题。为了解决这些问题，基于轴棱锥镜产生的无衍射光束的中心光斑特性，本 文首次将无衍射光束引入到水导引激光加工体系中，设计出了具有同轴监测功 能的水射流导引激光加工系统的新方案。 深入研究了水射流导引激光加工系统的光学特性、水光纤的流体力学特性 及耦合系统的关键技术。利用水光纤波导导引无衍射光束，改变了激光束的能 量高斯分布状况，实现了激光的能量近似平项均匀分布，有效地改善工件加工 质量，同时，利用本技术有效扩大了的加工范围，实现在二维平台对工件的三 维加工。此外，设计了耦合装置，有效解决了无衍射光束与水光纤波导的耦合 效率及传输损耗等关键技术问题。并提出一种新的无衍射光斑中心检测算法， 提高了系统的监测精度。 本文的主要创新点如下： 1 首次把无衍射光应用于水导引激光加工系统。通过对轴棱锥镜产生无衍 射光束的光学特性研究，利用无衍射光束具有中心光斑小，能量分布均匀，准 直范围长的特点，采用轴棱锥镜替代现有水导引激光技术中的聚焦透镜的技术 方案，彻底解决聚焦光学系统的调焦难题，降低了整个系统对设计、加工与调 试精度要求；( 专利受理号：2 0 0 9 1 0 1 1 1 3 2 6 o ) 2 利用轴棱锥产生的无衍射光束在无衍射区域内光束发散角小，可把无衍 射光近似于平行光的特性，有效地解决了激光与水光纤波导的耦合损耗关键技 水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究 术。 3 设计了加工、监测、指示定位三光轴同轴独特的光学系统( 发明专利号： 2 0 0 7 1 0 0 0 9 2 4 4 7 ) ，简化了整机光学系统。本光学系统可实现了激光加工全过程 的精确定位指示，并对激光与喷嘴耦合情况、水中气泡以及喷嘴的损坏等情况 的实时监测； 4 基于亚像素细分算法和边缘图像检测方法，提出了利用无衍射光束环栅 的边缘信息对无衍射激光光斑中心的亚像素定位检测算法。实验结果表明，本 算法实现了对无衍射光束光斑中心高精度定位，有效提高了系统的监测精度。 关键词：水导引激光轴棱锥镜同轴监测 1 1 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s i o nm a c h i n i n ga n du l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g t e c h n o l o g i e s ，l a s e r - h y b r i dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s h a v eg r a d u a l l yb e c o m et h e m a i n s t r e a mo fm a n u f a c t u r i n gf i e l d i nt e r m so fl a s e r - h y b r i dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h ec o m b i n e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fl a s e ra n dw a t e rj e t , n a m e l yt h ew a t e r j e t g u i d e dl a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i san e wd i r e c t i o no fl a s e rp r o c e s s i n g c o m p a r e d t ot r a d i t i o n a ll a s e rp r o c e s s i n gm e t h o d ，w a t e rj e tg u i d e dl a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w i t hi t sa d v a n t a g e so fl o n gw o r k i n gd i s t a n c e ，s m a l lh e a t - a f f e c tz o n e ，n o n h o ts l a g a n dh i 曲w o r ke f f i c i e n c y , h a sb e e nu s e di nm i c r o e l e c t r o n i c s ，a v i a t i o nm a c h i n e r y , m e d i c i n ea r e a , e t c h o w e v e lo w i n gt ot h eu t i l i z a t i o no ft r a d i t i o n a ll e n sf o c u so p t i c a ls y s t e mi nt h e e x i s t i n gw a t e rj e tg u i d e dl a s e rt e c h n o l o g y , t h ew o r ko fp r e c i s i o nf o c u s i n g ，a n dt h e a b e r r a t i o no ff o c u s i n go p t i c a ls y s t e ma r eu n a v o i d a b l e t oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ， b a s e do nt h es p o tc e n t e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n d i f f r a c t i n gb e a mg e n e r a t e db y a x i c o n , n o n - d i f f r a c t i n gb e a mi si n t r o d u c e di n t ow a t e rj e tg u i d e dl a s e rp r o c e s s i n g s y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e ，a n dan o v e ld e s i g no fw a t e rj e tg u i d e dl a s e rp r o c e s s i n g s y s t e mw i t hc o a x i a lm o n i t o r i n gf u n c t i o ni sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，a n dh y d r o # n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l la st h ek e y c o u p l i n gt e c h n o l o g i e sb e t w e e nt h en o n d i f f r a c t i n gb e a ma n dt h ew a t e rj e t , h a v eb e e n d e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e d u s i n gt h et r a n s f o r m i n ge f f e c to nn o n d i f f r a c t i n g b e a mt h r o u g ht h ew a t e rf i b e r , t h eg a u s s i a ne n e r g yd i s t r i b u t i o no fl a s e rh a sb e e n a l t e r e dt oaf l a t - t o pe n e r g yd i s t r i b u t i o n t h i sn o to n l yc a ni m p r o v et h ep r o c e s s i n g q u a l i t ya n ds a t i s f yt h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s oc a ne n l a r g et h er a n g eo f p r o c e s sa n da c c o m p l i s ht h r e e d i m e n s i o np r o c e s so nat w o - d i m e n s i o np l a t f o r m a c o u p l i n gd e v i c ei sd e s i g n e dt os o l v et h ek e yt e c h n o l o g i e so fc o u p l i n g ，s u c ha st h e c o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dt r a n s m i s s i o nl o s sb e t w e e nn o n d i f f r a c t i n gb e a ma n dw a t e r f i b e r a tt h es a m et i m e ，an e w a l g o r i t h mf o rc e n t e rl o c a t i o no fn o n d i f f r a c t i n gb e a m i i i 水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究 i sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h em o n i t o r i n gp r e c i s i o n t h ei n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h en o n d i f f r a c t i n gb e a mi sa p p l i e dt ow a t e rj e tg u i d e dl a s e rp r o c e s s i n g s y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e n o n - d i f f r a c t i n gb e a mp r o d u c e db ya x i c o n ，an e wm e t h o di sp r o p o s e db yu s eo ft h e b e a m sf e a t u r e s ，s u c ha ss m a l ls p o t ，l o n gs c o p eo fc o l l i m a t i o na n ds y m m e t r ye n e r g y d i s t r i b u t i o n ，a n ds oo n i nt h i sm e t h o d ，a l la x i c o ni su s e dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a l l e n s t h ef o c u s i n gp r o b l e mh a sb e e nr e s o l v e da n dt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t so f o v e r a l ls y s t e md e s i g n ，p r o c e s s i n g ，a n dd e b u g g i n gh a v eb e e nr e d u c e di n t h i sw a y ( p a t e n t n o a c c e p t e d ：2 0 0 9 1 0 1 1 1 3 2 6 0 、 d u et os m a l ld i v e r g e n c ea n g l ef o rl a s e rb e a mi nn o n d i f f r a c t i n gr e g i o n ，t h en o n - d i f f r a c t i n gb e a mc a l lb es i m i l a rt ot h ep a r a l l e ll i g h t w i t ht h ea d v a n t a g eo ft h en o n - d i f f r a c t i n gb e a m ，t h ec o u p l i n gl o s sb e t w e e n l a s e ra n dw a t e r - f i b e rh a sb e e nr e d u c e d 3 as p e c i a lt h r e e a x i sc o a x i a lo p t i c a ls y s t e mo fp r o c e s s i n g ，p o s i t i o n i n ga n d m o n i t o r i n gi sd e s i g n e dt os i m p l i f yt h ew h o l es y s t e m ( p a t e n tn o ：2 0 0 7 10 0 0 9 2 4 4 7 ) t h eo p t i c a ls y s t e mc a ni m p l e m e n tt h ep r e c i s ep o s i t i o n i n go ft h el a s e rp r o c e s s i n g i n d i c a t o ra n dr e a l - t i m em o n i t o r i n gf o rt h ec o u p l i n go fl a s e ra n dn o z z l e ，t h eb u b b l ei n t h ew a t e r , a sw e l la st h ed a m a g eo ft h en o z z l e 4 b a s e do nt h es u b p i x e lt e c h n o l o g i e sa n de d g ed e t e c t i o nm e t h o d s ，b yu s eo f t h ee d g ei n f o r m a t i o no fr i n gb e a m , as u b p i x e il o c a t i n ga l g o r i t h mt ot h ec e n t r es p o t o ft h en o n - d i f f r a c t i n gb e a mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i s a l g o r i t h m c a na c h i e v eah i g h - p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g d e t e c t i o no nt h e n o n d i f f r a c t i n g b e a mc e n t r e s p o t ，a n di m p r o v e t h ep r e c i s i o no ft h e s y s t e m m o n i t o r i n g k e y w o r d s ：w a t e rj e tg u i d e dl a s e r ；a x i c o n ；c o a x i a lm o n i t o r i n g i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人c 签孙- 寸带 砷年7 月南日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () i 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：叶带 厶。7 年7 月知日 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第1 章绪论 激光以极好的单色性、相干性、方向性以及高能量密度等优点，受到各个领 域高度的关注。从1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器诞生以来，以激光器为基 础的激光技术得到了迅速的发展。激光技术的发展使古老的光学焕发了勃勃生 机，更重要的是开拓了很多的新兴学科和交叉学科，从而推动了大批行业发生了 革命性的变化。目前，各种激光系统、设备仪器正在进入或己经进入各工业领域， 如电子、轻工、包装、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传 统工业的技术改造和制造业的现代化提供了先进的技术装备【卜6 】。 激光加工技术是激光技术的一个重要分支，具有非接触、无污染、低噪声、 节省材料等特点。在科技发展的今天，激光加工技术还具有信息时代的特点，便 于智能控制的实现，加工技术高度柔性化和模块化的实现，以及各种先进加工技 术集成的实现【3 】o 由于其不可替代的优势，激光加工目前已广泛应用于材料加工 的各个领域，成为2 1 世纪先进制造技术中不可缺少的一部分。 普通激光加工不可避免地存在自身的缺点，如在焊接时激光的能量转换和利 用率低，容易造成焊接区域的气孔疏松、产生裂纹；加工时激光易造成热影响区 偏大，加工质量达不到要求特别是对高反射、高热导率材料的加工【7 1 。为了解决 普通激光加工的这些问题，出现了一些将激光与其他加工方式复合的加工方法， 如：激光与水射流复合切割技术0 1 、激光复合焊接技术【1 1 12 1 、激光与电火花复 合加工技术【1 3 】等。激光复合加工技术可以扬长避短，优势互补，因此能够取得很 好的技术和经济效益，同时随着精密加工和超精密加工技术的发展，使其逐渐成 为制造领域的主流技术。 在激光复合加工技术中，激光与水射流复合加工技术，即水导引激光加工技 术是激光加工发展一个新的方向。水导引激光加工技术利用水射流技术的特点， 有效的解决了传统激光加工有效加工范围较小、热熔渣、热影响区等问题，使其 在加工领域有了广阔的应用前景1 1 4 1 。 虽然现有水导引激光技术通过借助水束波导对激光的导引，一定程度上改善 水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究 了激光能量的高斯分布，扩大用于加工的有效范围，同时利用水柱带走切割碎屑， 防止碎屑黏附在工件的表面，并冷却加工表面以消除热熔渣热影响区，提高了加 工的质量，但由于其采用传统的透镜聚焦光学系统，不可避免的存在调焦问题、 离焦发散角对耦合条件的影响以及聚焦光学系统的像差等因素的影响。由于激光 与喷嘴的精确耦合与否是保证激光能否满足在水束中全反射传输的前提条件，对 激光束与喷嘴空中耦合精度提出了更高要求。此外，水束的稳定性影响着水导引 激光的质量及其用于加工的有效范围。因此，对水导引激光加工系统光学特性、 水束稳定原理以及激光与喷嘴耦合情况的监测显得十分重要。 为克服聚焦光学系统的缺陷，通过对轴棱锥镜产生无衍射光束特性的研究， 本课题提出采用轴棱锥镜替换现有水导引激光系统中的聚焦透镜，利用无衍射光 束中心光斑小，准直范围长的特性，以解决系统的调焦和像差难题；同时，通过 设计能够实现加工、指示定位和监测三光轴同轴功能的光学系统，以简化光学系 统结构，并实时监测激光与喷嘴同轴耦合情况、水中气泡情况以及喷嘴的损坏情 况；此外，利用水导引无衍射光束，以改变激光的高斯能量分布状态，使出射的 激光能量呈近似平项均匀分布，从而提高加工质量。本课题的研究成功，将为国 内激光加工领域提供一种先进、性价比高的加工设备，同时将进一步扩展无衍射 光束在加工领域中的应用，对于推动国内激光加工技术的研究具有重要的现实意 义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 激光加工技术的国内外研究现状 激光加工的实质是光与物质相互作用的过程。当激光将能量传递给被加工材 料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的目的。按照激光与被加工 工件之间作用机理的不同，可将激光加工分为两类：类是激光热加工，一类是 激光冷加工。激光热加工是指激光作用与加工工件表面所引起的快速热效应的各 种加工过程，如激光焊接、激光打孔、激光切割等；激光冷加工是指激光借助高 能量高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反应 加工，如激光刻蚀、激光掺杂、表面氧化等。 2 第1 章绪论 早期的激光加工以c 0 2 和n d ：y a g 为主。以c 0 2 和n d ：y a g 激光为代表的 激光加工，其原理是基于材料中的电子通过对光子共振线性吸收获得的热能，将 材料逐步熔化、蒸发去除。本质上依赖于材料的热学特性，属于“热 加工方式。 在这一技术中，由于激光与材料相互作用持续时间较长，远大于材料的热扩散时 间，造成吸收的光束能量不可避免地扩散到周围的区域，对于材料的微加工来说， 这一条件绝非理想。 目前，国内外对c 0 2 和n d ：y a g 激光加工应用研究很多，如印度的d d h u p a l 等【1 5 】研究了脉冲y a g 激光旋转3 h ia 1 2 0 3 圆柱形陶瓷，对其进行刻槽。新加坡 的k s t i a w 等【1 6 】用n d ：y a g 激光对不同厚度聚合体材料进行精细加工。澳大 利亚的j w a n g 等【1 7 】用输出功率为7 5 0 w 的连续c 0 2 激光对不同厚度的镀锌钢板 进行切割。葡萄牙的r m m i r a n d a 等【1 8 】用输出功率为2 5 k w 的连续c 0 2 激光器 切割大理石和石灰石，并分析了h a z 的组织性能。俄罗斯的s vu s o v 等【1 9 】用 高功率脉冲y a g 激光对超硬材料如钨、钛、钽等进行切割、焊接、打孔研究。 德国大众汽车公司用5 0 0 w c 0 2 激光器切割形状复杂的车身薄板及各种表面覆盖 件。中国香港的w i n c o ，k c y u n g 等【2 0 】利用n d ：y a g 激光对环氧树脂和a i n 的合成物进行打孔试验研究。 伴随着波长在紫外波段的准分子激光系列的出现，开始了准分子激光加工的 应用研究。准分子激光加工时，材料通过线性吸收单个光子的能量就可以直接切 断其中的分子或原子结合键。其本质上是一种光化学反应，而非热熔化过程，因 此热扩散影响较小。一般把准分子激光加工称为“冷”加工【2 1 啦】。与c 0 2 和n d ：y a g 激光加工相比较，准分子激光由于其波长较短，可以获得尺寸微小的聚焦光斑， 更适合于微细加工，但它仍受光学系统衍射极限的限制。目前，准分子激光加工 的应用主要有准分子激光光刻、准分子激光烧蚀、准分子激光光敏技术、准分子 激光成膜以及准分子激光直写【2 3 1 。 自2 0 世纪9 0 年代初以来，随着宽带可调谐激光晶体和自锁模技术的出现， 飞秒激光技术得到了突飞猛进的发展。以掺钛蓝宝石为代表的新一代飞秒激光 器，输出光脉冲的持续时间最短可至5 f s ，激光中心波长位于近红外波段( 8 0 0 n m ) ， 特别是借助于啁啾脉冲放大技术，单个脉冲能量从几个纳焦耳就可以放大至几百 毫焦耳、甚至焦耳量级，此时脉冲的峰值功率可达g w ( 1 0 9 w ) 或t w ( 1 0 1 2 w ) ， 水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究 再经过聚焦后的功率密度为1 0 ”1 0 1 8 w c i n 2 ，甚至更高。飞秒激光能够以极快的 速度将高峰值能量注入到很小的作用区域，避免了激光线性吸收、能量转移和扩 散等的影响。飞秒激光加工是具有超高精度、超高空间分辨率和超高广泛性的非 热融“冷”处理过程，开创了激光加工的崭新领域。各国学者开始积极研究飞秒 激光在微细加工中的机理及应用。德国的b n c h i c h k o v ，c m o m m a ，s n o l t e 等 人深入研究了飞秒激光与各种金属材料的相互作用，并揭示了飞秒激光脉冲的烧 蚀机理 2 4 - 2 6 1 。美国的g m o u r o u 等人 2 7 - 2 9 1 对飞秒激光烧蚀机理进行系统的研究和 总结。日本的y o i c h ih i r a y a m a 等人【3 0 】对飞秒激光烧蚀下的的金属热影响效应进 行了研究。俄国的n a d e z h d am b u l g a k o v a 和i g o rm b o u r a k o v 对超快激光脉冲租 用金靶过程中液相爆破的熔化亚稳态进行了数值模拟，分析了飞秒激光与材料相 互作用过程中液相爆破的产生机理【3 1 1 。日本的y a c h e n g 等人【3 2 】利用飞秒激光和 退火、腐蚀等工艺，在特种玻璃内部加工出一系列微型器件。国内哈尔滨工业大 学的刘璇，王扬描述了飞秒激光与面心立方金属铜的相互作用过程【3 3 1 。天津工业 大学的杨洗陈，汪刚等用飞秒激光对不锈钢、铜和铝三种金属薄膜进行加工，研 究了所形成的微纳米孔直径与飞秒激光加工参数的关系【3 4 】。 随着激光加工技术的不断发展，其应用越来越广泛。目前，激光加工主要 应用类型有激光打孔、激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光表面热处理、激光 微细加工、激光清洗、激光抛光、激光复合加工等。 1 2 2 水射流加工技术的国内外研究现状 水射流加工技术是利用高压高速的水射流对工件的冲击、磨削作用来对各类 材料进行切割、穿孔、表面材料去除等加工的一项3 n - r 技术。水射流加工技术以 水作为工作介质，具有不产生附加应力变形，不产生热变形和组织变化，便于自 动化、数控化、切口质量好、切割速度快等特点，是一种冷加工方式。水射流加 工技术应用起源于采矿业。回顾水射流技术的发展历史，大致可分为以下几个阶 段 3 5 - 3 8 1 ： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代初以前主要是以低压水射流采煤( 矿) 为主的探索实验 阶段。 ( 2 ) 到6 0 年代初至7 0 年代初，进入了高压水射流设备研制阶段，开始研究 4 第l 章绪论 较高压力的高压泵和增压器以及高压脉冲射流，同时推广水射流清洗技术。 ( 3 ) 7 0 年代初至8 0 年代初，主要是高压水射流设备的工业试验和工业应用 阶段，水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了工业试验和推广应用。 开始出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流，与此同时，各种水射流会议的 召开，极大地推动了国际水射流界的交流和发展。 ( 4 ) 8 0 年代以来，磨料射流、空化射流和自激振动射流等新型射流得到了迅 速发展，把水射流技术推向了一个新的阶段。 自水射流技术发展以来，国内外对水射流技术理论及应用研究相当重视。 m h a s h i s h 3 9 训】对磨料水射流加工做了大量研究工作，通过切割实验指出，磨料 水射流可用于加工陶瓷、金属、玻璃等材料而不产生分层，并且在切割区不会产 生热应力，讨论了不同水射流参数对加工性能和材料取出过程的影响。 r j w i l k i n s 4 2 】研究了纯水射流切割软材料的模型，并得到了切割参数、切割深度 及表面粗糙度的关系。c l h a m a t a n i n 3 】研究了磨料水射流加工高温复合材料的加工 性能，其研究结果表明了磨料水射流加工陶瓷基和金属基复合材料的可行性。j w a n g 4 4 - 4 5 】研究了磨料水射流加工聚合物基复合材料的加工性能，其研究结果表 明，磨料水射流加工效率高，可加工出高质量的切口，并可实现曲线加工。空化 射流以美国流航公司a e c o m 提出的中心体式空化射流和日本y o s h i a k i 教授研 究的角形空化喷嘴为代表，并在船舶清洗等方面得到了广泛应用 4 6 】。m i l l e r l 4 7 - 4 8 】 提出了微磨料水射流加工技术，并设计了前混合式微磨料水射流系统。 通过近几十年的发展，我国高压水射流技术的研究和应用取得了许多令人瞩 目的成绩。国内大连理工大学赵伟等人【4 9 】论述了高压水射流加工系统与增压原 理，并探讨了高压水射流的切割机理。宋拥政【5 吣1 】对磨料射流的切割机理进行了 分析研究。重庆大学的李晓红【5 2 1 、廖振方【5 3 】等人对自激振荡脉冲射流进行了更 深入的理论研究和实验。重庆大学和西南石油学院通过对射流穿过圆柱形空腔产 生自激振荡现象的研究，研制了用于石油钻井的振荡脉冲喷嘴【5 4 1 。石油大学的李 根生，沈忠厚等人对空化射流等做了大量的研究工作【5 5 - 5 7 1 。王瑞和等对高压水射 流破岩钻孔及旋转射流破岩钻孔进行了实验研究，并对射流破岩过程及机理进行 了初步研究【5 8 5 9 1 。 随着水射流技术的不断发展，水射流的应用范围也由当初的采矿、破岩、 水射流导引融光上系统m 特性与* 键技术研究 钻孔、清洗、除垢发展到金属盒超硬材料切割、表面处理、研磨等，其应用领域 涉及了石油、化工、航空、船舶、交通、建筑、医学等多个工业领域。 1 2 3 水导引激光加工技术的国内外研究现状 最早的有关水束引导光的研究可雌追溯到1 8 4 2 年，瑞士的c o l l a d o n 在题为 “o nt h er e f l e c t i o n so fa r a yo f1 i g h ti n s i d eap a r a b o l l c1 i q u i ds t r e a m ” 的文章中首次描述了水柬对光的传导，并在1 8 8 4 年的一篇文章把如图11 所示 的在喷泉的水束中传导光的现象命名为c o l l a d o n 喷泉1 6 0 m 1 。 赢诵；d 图1 1c o n a d o n 喷泉 瑞士联邦工业大学的b e m o l dr i c h e r z h a g e n 博士深入研究这种现象，将激光 切割和水射流切割这两种目前很先进的切割方法复合，并将其发展成一种微细加 工技术，命名为l a s e r - m i e r o j e p “5 】，成为一项国际专利技术，其原理如图1 2 所 示。脉冲激光束经聚焦后，进入喷嘴从金刚石喷嘴喷射出的低压水流借助于水 空气界面对激光的全反射导引激光束进行切割加工冰柱成了激光的导向装置， 使激光能量可以完全到达被切割材料。另外，水不仅能够把切割碎屑带走，防止 碎屑黏附在工件的表面还能够起到冷却作用，大大地提高了切割的质量m o 例。 第l 章结论 蓝毒 毒；筒乙鼍量 糯一 水射流e 引激光加i 系统光学特性与关键技术研究 机和快速图像处理软件，以实现自动对准和检测。s y n o v a 公司把水导引激光技 术广泛的应用于划片、打孔、切割，具有较好的加工效果，如图14 m 1 。 艘 _ l 盛 图14 水导引激光加工效果 水导引激光加工技术的优异特性使其在机械、电子、医学、光学等加工领域 具有广阔的应用前景。例如在机械加工、p c d 、c b n 、陶瓷等超硬材料刀具的 切割，切割2 m m 厚的超硬材料能达到5um 缝宽；对印刷模版r 不锈钢材料、的 切割，除了得到很尖锐的边缘水流直径最小可以达到1 4 pm ；在医学领域，可 以实现对血管支架( f e 2 n i 合金) 、记忆台金骨架( t i 台金) 等医药器材的加工： 在电子方面，水导引激光加工技术可以加工的半导体材料十分广泛包括大多数 脆性材料，如s i 、g a a s 、i n p 、s i c 和低k 值材料。使用o 开关的n d ：y a g 激 光f 波长1 0 6 4 n m 、平均功率s o w1 可以水流切割的1 0 0 “m 厚的g a a s 片， 切割速度达到6 0 m m s 、切缝宽度2 6 pm ，经观察切缝区域没有出现再结晶、氧 化和微裂纹现象g a a s 片也没有出现扭、翘变形质量非常良好【7 4 】。 水射流导引激光技术在加工领域中的优越性引起了国内外学者对水导引激 光加工相关关键技术的研究兴趣。 瑞士学者f r a n kw a g n e r ，a k o ss p i e g e l 等f ”1 对金属铜的水导引激光加工进 行了研究，得到了很好的加工效果。 jap o r t e r 等【7 i 利用水导激光加工技术对金属薄板进行切割。其研究结果表 明，综合考虑激光参数、喷嘴孔径以及压力条件后，其上限切割距离为5 0 r a m 。 f r a n k 凡w a g n e r 等还对导光水束的稳定性进行研究，对影响导光水束稳定 的水压、喷嘴孔径、喷嘴表面光洁度等因素进行了分析。 p h i l i p p ec o u t y 等【州进行了激光在导光水束中能量分布的研究。试验研究结 果表明，会聚透镜的数值孔径是影响水束横截面能量密度的主要因素。随着数值 第1 章绪论 孔径增大，射流截面上的激光能量分布更均匀。对于中，i i 、 耦合，中心能量密度大 于外围能量密度。将激光束偏轴，可以得到比中心耦合更均匀的能量密度分布。 研究者还建立了水束横截面内能量密度分布的数学模型，与试验结果符合度很 好。 t n i l s s o n ，f r a n k r w a g n e r 等人【7 8 】以及爱沙尼亚的a r v ik r u u s i n g 7 9 - 8 0 】都 有针对水对激光传输的影响进行了研究。研究表明，波长处于绿光范围内的激光 被水束吸收的能量最小。 c k l i 等人【8 1 】对水导引激光加工硅材料进行了数学建模研究，依据该数学模 型得到的仿真结果可以对加工参数的选择进行指导。该数学模型采用一种新方法 考虑激光、水束和工件的相互作用及热加工过程。通过对比实际划槽j n - r 和仿真 结果，发现两者基本吻合，证实了该模型的合理性。 目前，国外对水导引激光技术的研究中瑞士的s y n o v a 公司具有明显优势， 其生产的水导引激光j n i 设备非常昂贵，在国外电子工业的硅片切割以及医疗器 械的制造中已经得到了大量的应用。国内对水导引激光相关技术的研究较少，近 年来，南京理工大学对水下激光加工产生的冲击波现象以及力学振动现象进行了 研列8 2 - 8 3 。哈尔滨工业大学王扬课题组对水射流引导激光加工进行了初步研究， 对不锈钢、单晶硅、钛合金、弹簧钢6 5 m n 以及电木( 酚醛树脂) 进行了打孔和 切槽试验研究。其研究结果认为：加工的孔径和槽宽随着单脉冲激光能量的增加 而增加，加工效率随着加工间隙的增加而降低【1 4 , 肄8 6 1 。南京航空航天大学徐家文 课题组借鉴了水射流导引激光加工和电液束加工提出喷射液束电解辅助激光加 工技术，为去除激光加工产生再铸层方法提出了新的思路【8 7 - 8 踟。 1 3 水导引激光加工技术特点 表1 1 给出了水导引激光切割与水射流切割及传统激光切割几个参数性能的比 较【8 9 _ 9 0 1 。 表1 1 水导引激光切割与水射流切割及普通激光切割比较 水射流切割激光切割水导引激光切割 能量载体 水光；1 0 6 4n m ；1 0 6 0 0n i n光( 非水刀) 5 3 2n n l ；1 0 6 4 1 1 1 1 1 9 水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究 加工能量源高压泵固体激光；气态激光固态激光 3 0 0 0 4 0 0 0b a r 能量传送硬质高压输水管 光纤传输；镜子( 振镜)光纤传输方式传 传导光束导光，灵活度高 材料去除高压水刀激光束，需要额外的气体激光束，系统运 行时需要少量水 喷嘴与材料 大约3r a m + 1i l l m ，大约0 5m m + - o 1i n l n ，o 1 0 0m l n ，无需 之间距离和必须随时测量、调整必须随时测量与调整z 轴随时测量与调整 最大允许公 z 轴高度高度 z 轴高度 差 工件取置的非常有限，因为喷嘴几乎不行，因为喷嘴到材非常方便，因为 方便性到材料的距离很短料距离短且切割头大 工作距离长 影响加工效 材料硬度 材料对波长为1 0 6 4n l t l 或材料对波长为 果的材料本 1 0 6 4 0n l t l 激光的吸收能5 3 2a m 或1 0 6 4 身因素力n m 激光的吸收 能力 最有经济效1 0 5 0m l n0 1 1 0n l n ，取决于材料种0 0 0 1 5r a i n ，取 益的材料厚类 决于材料种类 度范围 耗材水流喷嘴，聚焦喷保护玻璃，气体，喷嘴，水流喷嘴，保护 嘴，高压部件( 阀，烟尘颗粒过滤网玻璃，切割用水 管路，密封件)过滤网，水 最小切割宽 o 5m l n0 1 5i i l l n ，取决于切割速 o 0 2 5m i l l ，与切 度度 割速度无关 加工精度 大约o 1n l l t l大约0 0 5r a i n 1 。在激光材 料加工的实际应用中，为获得高能量密度，都要将激光束进行聚焦。高斯光束的 透镜聚焦公式可用式( 2 5 ) 描述： w o 。：丝 ( 2 5 ) 2 蔷 昭5 式中 1 4 ) 0 为原激光束束腰半径；w 。为经光学系统变换后新的激光束的束腰半径， 水射流导引激光n - r 系统光学特性与关键技术研究 为讨论问题方便，w 。视为焦斑半径；厂为透镜的焦距；入为激光束波长。 由式( 2 5 ) , - - j 知，对于相同束腰大小的激光束，采用同一聚焦透镜得到的聚焦 焦斑半径与m 2 成正比。光束质量越好( 即m 2 越小) ，得到的聚焦焦斑越小，如 图2 1 所示。聚焦焦斑越小，则焦点处激光功率密度越高。 犬 图2 1 焦距相同时，光束质量与聚焦焦斑大小的关系 将式( 2 5 ) 改写为： 厂= 等 ( 2 6 ) 由式( 2 6 ) n - 看出，聚焦透镜的焦距与光束质量因子m 2 成反比，即光束质量 因子m 2 越小，聚焦透镜焦距越长。图2 2 为获得相同聚焦焦斑时，不同光束质 量因子m 2 与聚焦透镜焦距的关系。由图2 2 可知，随着m 2 的增大，为获得相同 的焦斑，需要减小聚焦透镜的焦距，而短焦距透镜加工难度比较大，像差也比较 大。此外，由于焦点位置靠近透镜，3 n - v 时的飞溅容易污染透镜。因此，对于加 工时，选择光束质量较好的激光束，可以选用焦距较长的聚焦透镜，从而可以减 少加工时飞溅物对聚焦透镜的污染。 2 成 p l l 图2 2 聚焦焦斑大小相同时，光束质量与焦距的关系 1 6 第2 章新型水射流导引激光加工系统设计 在相同的激光功率( 能量) 情况下，光束质量较好的激光器可以获得较深 的加工深度；在得到相同加工深度的情况下，光束质量较好的激光器加工时所需 要的激光功率( 能量) 也相对较低。此外，随着光束质量因子m 2 的增大，激光 加工的深宽比显著变小，如图2 3 所示。 膨2 莎 i ： 。鲤多 少 ， 哆鲽 乡 符* 蒹丽 p钐 荔 妒 。一 ( 勾基模模式 多模模式 图2 4 激光光束模式示意图 在切割低碳钢的场合，采用基模t e m o o ( 光斑直径约为18 0 pm ) 切割速度比 t e m o l ( 光斑直径约为2 1 0 1 am ) 高1 0 ，两切割粗糙度t e m o o 模式比t e m o l 模式 低1 01 tr n 6 1 。因此，在激光加工应用中，主要选用基模模式的激光。 1 7 6 2 8 4 l l o 0 ；v麒假h曩 球射导 憾光加i 系统光学特性与关键技术研究 基模高斯光束经过聚焦透镜之后，聚焦光斑能量仍然是高斯分布。一般定义 光强降落到中心值1 儿2 的点所确定的范围为光斑大小，在这个范围内包含了光束 能量的8 6 5 。由于高斯光束中心光强较大，边缘光强弱，光斑截面能量分布不 均匀，势必会造成加工时切缝边缘的毛刺、熔融状态，如图25 所示。 因此必 须改变激光的高斯能