激光复合加工工艺研究

激光复合加工工艺研究——新型水射流导引激光加工07机械3班痛快也愉快
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，己在微电子、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、离焦发散角对祸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藕合系统的关键技术。

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顶均匀分布，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，设计了藕合装置，有效解决了无衍射光束与水光纤波导的藕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。

关键词:激光复合加工水射流工艺研究
Abstract
With the development of precision machining and ultra-precision machining technologies, laser-hybrid processing technologies have gradually become the mainstream of manufacturing field. In terms of laser-hybrid processing technology, the combined processing technology of laser and water jet, namely the water jet guided laser processing technology, is a new direction of laser processing. Compared to traditional laser processing method, water jet guided laser processing technology, with its advantages of long working distance, small heat-affect zone, non-hot slag and high work efficiency, has been used in microelectronics, aviation machinery, medicine area, etc.
However, owing to the utilization of traditional lens focus optical system in the existing water jet guided laser technology, the work of precision focusing, and the aberration of focusing optical system are unavoidable. To overcome these problems, based on the spot center characteristics of the non-diffracting beam generated by axicon, non-diffracting beam is introduced into water jet guided laser processing system for the first time, and a novel design of water jet guided laser processing system with coaxial monitoring function is proposed in this dissertation.
The optical properties, and hydrodynamics characteristics, as well as the key
coupling technologies between the non-diffracting beam and the water jet, have been
deeply analyzed and researched. Using the transforming effect on non-diffracting
beam through the water fiber, the Gaussian energy distribution of laser has been
altered to a Flat-top energy distribution. This not only can improve the processing
quality and satisfy the processing requirements, but also can enlarge the range of
process and accomplish three-dimension process on a two-dimension platform. A
coupling device is designed to solve the key technologies of coupling, such as the
coupling efficiency and transmission loss between non-diffracting beam and water
fiber. At the same time, a new algorithm for center location of non-diffracting beam
is presented to improve the monitoring precision..
Keywords: laser composite processing technology water jet
目录
中文摘要——————————————————————1
英文摘要——————————————————————1
1.课题研究的背景及意义———————————————2
2.国内外研究现状——————————————————3
2.1激光加工技术的国内外研究现状
2.2水射流加工技术的国内外研究现状
2.3水导引激光加工技术的国内外研究现状
3.水导引激光加工技术特点——————————————8
4.总结与展望————————————————————9
5.参考文献—————————————————————10
1.课题研究的背景及意义
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1960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
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。

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21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。

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、激光复合焊接技术、激光与电火花复合加工技术等。

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。

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
碎屑豁附在工件的表面，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
角对藕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
确祸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tbm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
及激光与喷嘴祸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祸合情况、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
激光能量呈近似平顶均匀分布，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。

2国内外研究现状
.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:一类是激光热加工，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。

早期的激光加工以CO:和Nd:YAG为主。

以C02和Nd:Y AG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CO:和Nd:Y AG激光加工应用研究很多，如印度的D. Dhupal
等研究了脉冲YAG激光旋转加工A1203圆柱形陶瓷，对其进行刻槽。

新加坡
的K. S. Tiaw等用Nd: Y AG激光对不同厚度聚合体材料进行精细加工。

澳大
利亚的J. Wang等用输出功率为750W的连续CO:激光对不同厚度的镀锌钢板
进行切割。

葡萄牙的R. M. Miranda等用输出功率为2.5kW的连续CO:激光器
切割大理石和石灰石，并分析了HAZ的组织性能。

俄罗斯的S. V. Usov等用
高功率脉冲Y AG激光对超硬材料如钨、钦、担等进行切割、焊接、打孔研究。

德国大众汽车公司用500WC0: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Winco, K. C. Yung等利用Nd: Y AG激光对环氧树脂和AIN
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”加工与C02和Nd:YAG
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
自20世纪90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。

以掺钦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5fs，激光中心波长位于近红外波段(800nm),
特别是借助于惆啾脉冲放大技术，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1GW或TW。

再经过聚焦后的功率密度为1015-1018 W/c时，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.Chichkov,C.Momma,S.Nolte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。

美国的G .Mourou等人对飞秒激光烧蚀机理进行系统的研究和
总结。

日本的Yoichi Hiray~等人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Nadezhda M.Bulgakova和Igor M.Bourakov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。

日本的Ya. Cheng等人利用飞秒激光和
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
学的刘漩，王扬描述了飞秒激光与面心立方金属铜的相互作用过程。

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
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。

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加工技术。

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
(1) 20世纪60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60年代初至70年代初，进入了高压水射流设备研制阶段，开始研究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) 70年代初至80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) 80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.Hashish[39-41]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. Wilkins[a2]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。

G Hamatani [43]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.
Wang [44一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.Conn提出的中心体式空化射流和日本Yoshiaki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Miller
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、廖振方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。

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。

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。

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、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。

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以追溯到1842年，瑞士的Colladon在题为“On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream"
的文章中首次描述了水束对光的传导，并在1884年的一篇文章把如图1.1所示
的在喷泉的水束中传导光的现象命名为Colladon喷泉。

图1.1 Colladon喷泉
瑞士联邦工业大学的Bernold Richerzhagen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Laser-Microjet，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，水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
碎屑勃附在工件的表面，还能够起到冷却作用，大大地提高了切割的质量。

1997年，水射流导引激光技术在瑞士Synova公司实现，其用一束低压
(50-SOObar)，经过蒸馏或过滤过的水射流用来引导双频ND:Y AG产生的激光束，利用全部的发生在水和空气的接触面内部的反射，类似于传统的玻璃光纤的方
法。

1998年，瑞士Synova公司实现了成熟的激光切割和晶圆切割设备。

该公司
推出了LCS系列的激光切割系统和LDS系列的激光划片系统，如图1.3所示
.
(a) LCS系列的激光切割系统(b) LDS系列的激光划片系统
图1.3水导引激光加工设备
LCS-300为多用途机种，有效工作范围为300mm X 300mm，适合多种材料的切割、钻孔、开槽、打标等精细加工，加工精度为士Sum，重复精度为士1u
m，水压为20}SOObarso LDS 300能够将最大尺寸为300~的晶圆切割成尺寸
最小为0.25mmx 0.25~的芯片，切割超薄晶圆的速度高达300mm/s，切槽两壁
光滑平行，宽度小(从22 u m到100 } m不等)，且不受晶圆厚度的制约，加工
精度为士3um，重复精度为士lam，水压为20}SOObars。

相对低压的微小射流
在工件上的应力可以忽略，因此，在切割过程中没有机械压力。

系统配置了摄像机和快速图像处理软件，以实现自动对准和检测。

Synova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1.4。

图1.4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、PCD、CBN、陶瓷等超硬材料刀具的
切割，切割2~厚的超硬材料能达到5um缝宽;对印刷模版(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14um;在医学领域，可
以实现对血管支架(Fe2Ni合金)、记忆合金骨架(Ti合金)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Si, GaAs, InP、SiC和低K值材料。

使用Q开关的Nd:YAG激
光(波长1064nm、平均功率SOW)可以水流切割的100 u m厚的GaAs片，
切割速度达到60mm/s、切缝宽度26 um，经观察切缝区域没有出现再结晶、氧
化和微裂纹现象，GaAs片也没有出现扭、翘变形，质量非常良好。

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Frank. Wagner} Akos Spiegel等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。

J. A. Porte:等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SOmmo Frank. R. Wagne: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。

Philippe Couty等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。

随着数值孔径增大，射流截面上的激光能量分布更均匀。

对于中心藕合，中心能量密度大于外围能量密度。

将激光束偏轴，可以得到比中心藕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. Nilsson, Frank. R. Wagner等人以及爱沙尼亚的Arvi Kruusing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.F.Li等人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。

通过对比实际划槽加工和仿真
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Synova公司具有明显优势，其生产的水导引激光加工设备非常昂贵，在国外电子工业的硅片切割以及医疗器
械的制造中己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
研究。

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、钦合金、弹簧钢65Mn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。

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。

3.水导引激光加工技术特点
1)传统激光切割一般使用高压惰性气体除渣，熔渣不容易排除干净，而水
流具有比气体更高的动力学能量，很容易将熔渣排除干净，从而获得良好的切割
质量。

(2)低压水流可很快地冷却材料，所以采用激光与水射流复合切割技术在切
害」时不存在热影响区。

(3)由于聚焦的激光沿照射方向呈圆锥形，激光能量呈高斯分布，传统激光
切割时，由于激光聚焦的景深小，使得工件加工的深度有限，切口会出现锥形、
切口不整齐、有毛刺等现象;而激光与水射流复合切割由于低压水流对激光的导
向作用，激光聚焦的景深长，从而增加了工件的切割深度，且切口整齐、无锥形、无毛刺等现象，因此十分适合高深宽比形状的工件加工。

(4)切割时，由于激光完全在导向水流进行全反射，对环境不造成任何光污
染。

(5)加工的激光束的直径由低压水流的直径决定，而水流的直径一般很小
(25-100 um)，可获得很小的切缝宽度，同时低压水流可以保持相当稳定，可以
保证很高的切割精度(1 pm) 。

(6)激光与水射流复合切割附加在工件的机械压力非常小，远远小于激光气
体辅助切割时的机械力。

(由于喷出的水柱细如发丝，所以消耗的水能非常小。

4.总结和展望
本文在论述了激光加工技术、水射流加工技术及水导引激光加工技术的国内外研究现状的基础上全面比较这三种不同加工技术各自的优缺点，并分析了现有
水导引激光加工存在的问题。

针对现有水引导激光加工技术存在聚焦透镜焦点与
藕合装置的喷嘴孔位置的精度要求，利用无衍射光束中心光斑特性，设计了一种
新型的具有同轴指示监测功能的水射流导引激光加工装置，研究了本新型水射流
导引激光加工系统的光学特性与关键技术。

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