一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统及加工方法

本发明涉及激光加工，具体涉及一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统及加工方法。

背景技术：

1、激光加工是通过热效应以及其他作用使材料熔化、汽化或化学分解，实现材料去除。其在工业生产中有着重要应用，激光去除材料常见的方法有激光打孔、激光切割、激光烧蚀和激光光刻等。激光加工是非接触加工，所以不存在刀具磨损的问题，且加工过程清洁无污染。

2、但是激光加工在空气中加工工件时，具有一定的局限性，激光加工时会产生大范围的热影响区，会影响加工区域的应力分布，从而工件容易产生裂纹。并且如果不采取额外的措施将熔化的材料带走,已经去除的材料极易重新固结在加工点周围，形成难以去除的重铸层。重铸层的存在不仅会降低激光加工工件的精度,使得加工边缘不规则，而且还会对后续激光束起到散射和阻挡的作用，从而降低激光烧蚀效率。此外，有些材料例如硅、石英等在激光加工时会由激光诱导产生周期性的表面自组织结构。这些结构的主要成因与微气泡、重铸微粒以及激光的极化作用等有关，虽然在特定应用背景下已有学者利用这种激光诱导现象实现自组织结构的加工，但对大多数激光加工情况，这种自组织结构会降低加工表面质量。

3、激光加工的热效应和诱导效应等与材料表面的相互作用带来了重铸层、裂纹以及自组织结构等诸多问题，这些问题严重影响了激光加工质量，导致直接利用激光烧蚀已经越来越无法满足高质量微细加工的要求。因此，发展一种能有效解决上述问题的新型激光加工技术变得极为重要，而水辅助激光加工技术正是这样一种可以弥补传统激光加工劣势的新型复合微细加工技术。

4、水辅助激光加工是将工件放在水中，使工件被加工表面离水面有一定距离，激光通过水加工工件。激光在水中与材料作用时会产生热流和气泡,热流引起的水的流动和气泡的不断产生和破裂,有助于熔屑从加工区排出，可提高加工的表面质量。另外,水具有良好的冷却作用,会减少加工表面的变质层。

5、但是传统水辅助激光加工时，水的冷却作用会使熔融残渣聚集降低激光辐射度，同时会产生较多的空化气泡，诱导加工环境发生改变使其热效应增加，热效应的增加会带来重铸层、裂纹以及自组织结构等诸多问题。此外，较多的气泡会引起激光的散射和折射，并会吸收部分激光能量以及产生白光连续的现象，严重干扰激光加工的稳定性，并大幅降低激光的光束质量和能量密度，直接影响水辅助激光加工的稳定性和可控性，导致不可预测及不可确定的材料去除过程，从而影响激光加工质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对传统水辅助激光加工过程中所存在的加工效率低以及加工精度低等问题，而提供了一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统及加工方法，本发明的方案解决了传统水辅助激光加工工艺所面临的低效率和低精度的问题，实现了利用液体辅助激光微细加工的高效、高质量加工效果。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统，其特征在于，该加工系统包括：控制系统、供液系统、加工平台、工作液箱、用于储存酸性溶液的储液箱以及用于产生激光束的激光器；

4、所述的控制系统用于控制所述供液系统将所述储液箱中的酸性溶液供入到所述工作液箱中；

5、所述的工作液箱与所述储液箱连通设置，且连通处设置有过滤器及开关阀；通过所述的供液系统将所述工作液箱和所述储液箱中的酸性溶液实现内循环；

6、所述的加工平台设置于所述工作液箱中，所述的加工平台用于放置待加工的工件；

7、所述的激光器设置于所述加工平台的上方，所述激光器产生的激光束用于对所述工件进行激光加工；

8、所述的酸性溶液为醋酸与水的混合溶液。

9、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：所述的加工系统还包括液位传感器；所述的液位传感器设置于所述的工作液箱中，且与所述的控制系统电信号连接；所述的液位传感器用于实时监测所述工作液箱中酸性溶液的液面高度。

10、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：所述的加工系统还包括激光透镜；所述的激光透镜设置于所述激光束的传输路径上，所述的激光透镜用于将所述的激光束聚焦后打在所述工件上，对所述工件进行激光加工。

11、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：所述的供液系统包括供液泵、辅助供液管以及流量计；所述的辅助供液管与所述供液泵以及所述的工作液箱和储液箱连通；所述的流量计设置于所述的辅助供液管上。

12、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：所述的供液系统还包括滤网；所述的滤网设置于所述的辅助供液管上，且位于所述储液箱中。

13、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：所述的酸性溶液在加工过程中以1-1000ml/min的流量循环。

14、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：激光加工的功率为4-20kw。

15、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工系统：所述的酸性溶液为纯醋酸与水的混合溶液，且醋酸浓度为5-95wt％；

16、或者为食用醋与水的混合溶液，且食用醋浓度为5-95wt％。

17、一种酸性溶液辅助的激光微细加工方法，其特征在于，该方法采用上述的加工系统进行加工，该加工方法包括如下具体步骤：

18、s1、加工前准备：将待加工的工件放置于所述加工平台上，然后通过所述控制系统控制所述供液系统向所述工作液箱内部提供所述酸性溶液，直至所述酸性溶液漫过所述工件的上表面，停止供液；

19、s2、酸性溶液的循环：开启所述开关阀，利用所述供液系统使所述工作液箱和所述储液箱中的酸性溶液实现内循环；通过液位传感器实时监测所述工作液箱中酸性溶液的液面高度；

20、s3、激光加工：打开激光器产生激光束，所述的激光束经过激光透镜聚焦后作用在所述工件的表面，调整好激光功率，按照既定的加工路线，完成目标零部件的加工。

21、进一步的，一种酸性溶液辅助的激光微细加工方法：所述的酸性溶液漫过所述工件上表面的深度为2-10mm。

22、具体的，本发明提供的是一种基于常规水辅助激光加工的高效、高精度加工方法，可实现对不锈钢、陶瓷等材料的高质量微细加工。

23、在本发明的加工方法中酸性工作液的循环快慢由液位传感器、流量计、供液泵及控制系统实现液面高度的平衡维持。控制系统是监测液位高度与供液泵的供液流量大小的集成控制装置。

24、本发明的有益效果：

25、(1)本发明加工方法中所采用的酸性溶液其相对于传统水溶液而言，其熔点、沸点较高，在激光加工时产生的气泡相对较少，能够减少气泡对激光束的散射和折射作用，从而使加工区域获得相对较为稳定的激光加工能量输入，提高激光光束质量和能量密度，从而提高酸性溶液下的激光加工稳定性和可控性，最终反馈到工件加工效率和成形精度的提高上。

26、(2)本发明采用的酸性溶液具有相对较高的熔点和沸点，使得激光加工时对被加工区域的冷却作用增加，可显著缩小激光加工的热影响区，有利于改善材料表面的重铸层、裂纹以及自组织结构等问题，还兼具有传统水介质辅助激光加工的防止残渣飞溅和边缘毛刺产生的作用，能够显著提高激光加工的质量。

27、(3)本发明所用的酸性溶液自身具有一定的腐蚀性能，加工时在激光与被加工材料作用时产生的热量会加剧酸性溶液与被加工材料之间的化学腐蚀作用，减小重铸层厚度，加快材料的蚀除效果，从而能够获得相对较高的加工速度。

28、(4)本发明利用酸性溶液的物理化学特性，避免传统水介质溶液产生的白光及干扰激光加工稳定性，显著提高了激光加工质量。