一种非同轴激光加工装置的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种用于厚板陶瓷材料切割的非同轴激光加工装置。

背景技术：

随着激光加工技术的不断发展，激光作为工具对材料进行加工已成为其最重要的应用，特别是激光切割已经在工业上的广泛应用，主要源于其与传统加工方法对比所具有的卓越优势。激光切割的实现过程主要是将能量聚焦到微小的空间，利用这一高密度的能量把金属或非金属加热至熔化或汽化，依靠辅助气体的动力学作用形成拖拽力把熔渣从切口中吹出去，实现对金属或非金属板材进行非接触、高速度、高精度切割。

激光熔化切割是一个复杂的加工过程，切割过程中激光束本身特性、材料特性、气体流场以及加工工艺参数都会影响到切割速度、厚度及切割质量。辅助气体在激光切割或激光穿孔都起着至关重要的作用。一方面喷嘴出口的气体射流在切口中产生很强的剪切作用力，熔融金属能否从切口排出主要取决于剪切作用力的大小；另一方面辅助气体能够加速切口的冷却，保证热影响区被能控制在很小的范围，为形成高质量的切割表面提供了先决条件。

目前辅助气体的输入方式，主要通过与激光方向同轴的会聚型气嘴来实现，在较高供气压力下喷射出的气流紊流度较大，在气体流场中会产生激波，而且这些传统会聚型喷嘴不论辅助气体压力有多大，出口马赫数最大只能达到1，即达到音速。由于激波的存在，提高辅助气体压力不但不能提高切割速度，反而会使切割工艺产生许多不良影响，但是随着激光切割板材厚度的增加，为了要把熔融材料尽快从切口中排出去，又不得不增加 辅助气体压力。因此，目前对超音速喷嘴的研究较多，以依靠喷嘴的结构消除流场中的激波，达到较高的出口马赫数，以改善辅助气体流场的动力学特性。

但目前对超音速喷嘴的使用依然较少，主要受以下几方面影响：

1、同轴的超音速喷嘴，光束与气流均是同轴输出，喷嘴不仅担负排出辅助气体，而且是激光束通道，同轴的超音速气流的气压较大，作用在被加工材料上会产生类似于刀具加工的接触应力，对于脆性陶瓷类材料的加工，则极易产生机械损伤及裂纹。

2、由于超音速喷嘴的设计特性，通常包括平行段、收缩段、喉部和扩张段，高次曲线拟合出的喉部是一段距离较长的狭窄通道，会对同轴激光产生挡光作用，尤其对于短焦距聚焦透镜的应用大大受限。

3、超音速喷嘴前端的超音速气流长度是一定的，超出该长度范围，气体流速大大减弱，对于厚板材料的切割，激光出射面则较易形成挂渣和重铸层，切缝底部的气体流场动力学特性有待改善。

中国专利申请号为CN200510095474.X的“一种新型激光切割头”、申请号为CN200710044903.X的“用于激光切割的超音速喷嘴”和申请号为CN101284333A的“用于数控激光切割的建议折线缩放超音速喷嘴”，都公开了采用超音速喷嘴消除流场中的激波，达到较高的出口马赫数，以改善辅助气体流场的动力学特性，但仍然存在有缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种非同轴激光加工装置，采用非同轴设置，能够减小了气流进入切缝的阻碍，使切缝中气流产生更高的流入速度，大大改善切缝中气体流场的动力学特性，从而提高加工质量。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种非同轴激光加工装置，包括激光组件、辅助气体输入装置以及真空吸附治具，工件通过真空吸附治具设置在工作台上，工件的上部设置有激光组件，激光组件的一侧非同轴设置有辅助气体输入装置，辅助气体输入装置采用拉瓦尔气嘴；激光束经过激光组件作用在工件上，拉瓦尔气嘴输入辅助气体至工件表面。

所述激光组件采用准直镜和聚焦镜由上至下依次设置。

所述拉瓦尔气嘴的超音速长度为10～20mm，出射口径为1.5～2mm，拉瓦尔气嘴离工件上表面的距离为3～8mm，拉瓦尔气嘴的轴线和激光束轴线之间的夹角为30°～60°，辅助气体的冲击点与激光束的聚焦斑点之间的距离为1～5mm。

所述辅助气体的气压为1～3MPa，辅助气体类型为氮气。

所述激光束的激光波长为1070nm，平均功率为500W，脉冲频率为120Hz，准直镜的长度为100mm，聚焦镜的焦距为100.8mm，切割速度为5mm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中采用激光束与辅助气体非同轴设置，在切割前端形成气流层保持足够的气体压力，非同轴的设置减小了气流进入切缝的阻碍，使切缝中气流产生更高的流入速度，大大改善切缝中气体流场的动力学特性，尤其对于陶瓷厚板切割，热影响区减小，激光出射面的挂渣和重铸层大大减少，其切割质量得到提升；

此外，非同轴的设置将高压气体对陶瓷面的正面接触应力分解为沿切缝方向的剪切力和垂直压力，减小了气流对陶瓷面的正面接触应力，再通过真空吸附工作台，使工件各位置受力更加均匀，大大减少因接触应力造成的机械损伤或裂纹等。

2、本发明使高次曲线拟合出的拉瓦尔气嘴的实际应用不再受限，激光组件的光路不再受到辅助气体的影响。

附图说明

图1为本发明非同轴激光加工装置的结构示意图。

图2为本发明非同轴激光加工装置的加工示意图。

附图标记说明：1-激光束；2-准直镜；3-聚焦镜；4-拉瓦尔气嘴；5-辅助气流；6-工件；7-真空吸附治具

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供的一种非同轴激光加工装置，包括激光组件、辅助气体输入装置以及真空吸附治具7，工件6通过真空吸附治具7设置在工作台上，工件6的上部设置有激光组件，激光组件的一侧非同轴设置有辅助气体输入装置。

所述激光组件采用准直镜2和聚焦镜3由上至下依次设置，激光束1经过准直镜2准直后，激光束1的发散角得到压缩，获得平行光束，再经过聚焦镜3聚焦后得到可用于加工的高能量密度的聚焦光斑。

所述辅助气体输入装置采用拉瓦尔气嘴4，其与激光束1轴线之间的夹角设为θ，拉瓦尔气嘴4的端部距离工件6的长度设为Z。相对于工件6上的激光入射点，出射的辅助气流5在工件6上的冲击点距离激光束1入射点之间长度设为X。

上述中，采用相对激光束1方向非同轴的拉瓦尔气嘴4，以此来进行辅 助气体的输入，即输入辅助气体至工件6表面。高压的拉瓦尔喷嘴4拥有一个产生超音速的喷口，喷口的有效长度内使切缝中产生更高速度的喷入速度；同时，沿着整个工件6厚度内的喷射能力大大增加。非同轴的设置减小了气流进入切缝的阻碍，且非同轴气体可以在切割前端形成气流层保持足够的气体压力(剪切力和垂直压力)，有效吹除熔渣并减小热影响区。

为了优化拉瓦尔气嘴4的超音速使用特性，必须有效的控制拉瓦尔气嘴4到工件6之间的距离，主要基于气嘴前端的超音速气流的超音速长度。沿着辅助气流6的圆柱形边界，拉瓦尔气嘴4在大气环境下产生了粘性摩擦力，因此，轴向的流速呈放射状减小，从中心到边界，边界处的粘性摩擦力使轴向流速减慢，并促使气流从超音速转变为亚音速。在距离喷嘴前端一定距离位置的气流是紊乱的，轴向的流速下降到亚音速数值。因此，在超出超音速长度的距离位置处，气流已经失去了其最初的动能，主要是由于与大气环境气体的摩擦以及其放射状的发散特征，导致将动能传递给熔融材料并将其吹除的能力大大下降，拉瓦尔气嘴4的最佳性能消失。

所以，拉瓦尔气嘴4的超音速长度是非常关键的参数。为了测定拉瓦尔气嘴4的超音速长度，可以利用压力管在拉瓦尔气嘴4的中心线上不同距离处进行驻点压力的测量，在超音速长度的驻点压力基本与气嘴出口处的压力一致，同理，随着距离增加，压力值开始下降。该节点距离拉瓦尔气嘴4前端出口的距离即为超音速长度。因此，拉瓦尔气嘴4和工件6表面加切口深度的总长度必须小于该长度值。

激光束1的光轴方向和拉瓦尔气嘴4的倾斜角对于切缝中的气流的气体动力学行为具有重要的影响作用。当夹角θ较小，或接近零度时，这种情况接近于正常的冲击波，大量激波的存在导致了拉瓦尔气嘴4下方和工件6之间形成马赫盘，气流被严重压缩，流速下降到亚音速，这个不可逆的过程丢失了相当一部分动能，最终导致切缝中的空气动力学性能恶化。对于拉瓦尔喷嘴4的特定气流流速条件下，倾斜角过大，大部分气流被分 解为沿工件6表面的平行气流，沿切缝气流动能大大下降。既要保证沿切缝方向上的斜冲击波具有较大动能，又要防止分离的激波产生以避免其对气嘴的压缩作用。

相对于激光入射点，气流的冲击点位置也是一个对切割质量非常重要的影响因素，切割试验证明，随着长度X增加，重铸层的扩展逐渐减少，并且移位到切割边缘的底部，直至重铸层基本消失，随着长度X值继续增加，重铸层又继续扩展变大，切割质量恶化。

本发明主要针对厚板陶瓷材料的切割，针对陶瓷材料硬脆性的特点，采用真空吸附治具7来固定工件6，使得工件6各处受力均匀，进一步减少气流冲击应力，减少工件6的机械损伤及裂纹。

下面通过具体实施例进行详细说明：

所加工工件6的厚度为4mm，主要成分为Al2O3陶瓷片。所用激光为光纤引导的脉冲掺钇的光纤激光器，出射激光束1的激光波长为1070nm，平均功率约为500W，脉冲频率为120Hz，准直镜2的长度为100mm，聚焦镜3的焦距为100.8mm，切割速度为5mm/s。

输入的辅助气体5的气压为1～3MPa，优选为2MPa，辅助气体类型为氮气。拉瓦尔气嘴4的超音速长度约为10～20mm，优选为15mm，出射口径为1.5～2mm，优选为1.7mm，拉瓦尔气嘴4离工件6上表面距离“Z”值设置为3～8mm，优选为5mm，拉瓦尔气嘴4的轴线和激光束1轴线之间的夹角θ设置为30°～60°，优选为40°，辅助气体5的冲击点与激光束1的聚焦斑点之间的距离“X”值设置为1～5mm，优选为3mm。

得到的切割断面采用二次元影响测量仪(型号为JTVMS-1510F)和基恩士激光显微系统(型号为VK-X100)进行检测。将其与常规同轴激光加工样品进行对比发现，常规同轴激光加工所产生的重铸层较多，底部挂渣很大，非同轴激光加工质量有了非常大的改善。

本发明中，通过改善激光切割厚板陶瓷材料切缝中气体流场的动力学 特性，大大改善厚板陶瓷材料激光出射面的挂渣和重铸层，减小激光加工热影响区，减小气流对陶瓷面的垂直接触应力，减少裂纹产生，提高产品加工质量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。