曹治赫，喬紅超*，趙吉賓

金屬材料水導(dǎo)激光加工實驗研究

曹治赫1,2，喬紅超1,2*，趙吉賓1,2

1中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110179；2中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110179

金屬材料的激光加工目前正向著低表面粗糙度、小熱影響區(qū)及大深徑比結(jié)構(gòu)的趨勢發(fā)展。新近發(fā)展了一種基于激光-水射流耦合原理的水導(dǎo)激光加工技術(shù)，本文闡述了水導(dǎo)激光加工技術(shù)的基本原理及其相對于傳統(tǒng)激光加工方法的優(yōu)勢，基于激光-水射流耦合原理構(gòu)建了一套水導(dǎo)激光加工設(shè)備，對多種金屬材料進行了水導(dǎo)激光加工實驗。利用超景深顯微鏡對加工工件表面進行了觀測與分析，發(fā)現(xiàn)兩種金屬材料加工得到的盲孔邊緣規(guī)則圓滑，切槽的邊緣平直無毛刺，沒有熱影響區(qū)。實驗結(jié)果說明對金屬材料的水導(dǎo)激光精密加工具有可行性且有重要的應(yīng)用價值。

水導(dǎo)激光；耦合技術(shù)；激光加工；表面質(zhì)量

1 引 言

金屬材料的激光加工已有數(shù)十年的工業(yè)應(yīng)用，隨著大能量高功率激光器的發(fā)展，激光加工越來越多地向高深寬比、高表面質(zhì)量以及高加工效率方向發(fā)展，例如航空發(fā)動機葉片氣膜孔和微流控芯片的激光加工。但在傳統(tǒng)的激光加工中，激光加工機床需要進行多軸協(xié)同運動，始終要保證激光焦點處于距離工件合適的位置。新近發(fā)展了一種基于激光-水射流耦合技術(shù)的水導(dǎo)激光加工技術(shù)，激光被聚焦系統(tǒng)耦合進小直徑的穩(wěn)定水射流中，在水射流內(nèi)壁不斷發(fā)生全反射，并沿著水射流一直傳播，無需傳統(tǒng)激光加工中復(fù)雜的實時對焦系統(tǒng)，整段穩(wěn)定的水射流都可以用于大深徑比結(jié)構(gòu)的加工。

相比于傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光加工技術(shù)的優(yōu)點[1-3]主要有：無熱損傷區(qū)、加工表面質(zhì)量高、可用加工距離長、加工作用力小、可加工大深徑比結(jié)構(gòu)。由于激光是與水射流同軸的，激光將加工材料融化后，水射流可以及時對加工區(qū)域進行冷卻，并帶走加工產(chǎn)生的熔融碎屑，使得加工區(qū)域沒有熱損傷區(qū)，也減少了熔融材料的再堆積，提高了表面質(zhì)量。因此，水導(dǎo)激光技術(shù)在航空發(fā)動機葉片加工、半導(dǎo)體硅片切割[4]、血管支架加工[5]及難加工材料加工等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。

自瑞士西諾發(fā)(SYNOVA)公司1995年提出水-激光耦合加工技術(shù)[6]以來，便受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。2004年，西諾發(fā)公司的Nilsson等[7]提出一種結(jié)合水導(dǎo)激光加工方法與金剛石鋸切方法的氮化鎵晶圓切割方法。2008年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王楊教授、李靈博士設(shè)計并研制了一套水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)[8]，對硅片進行了加工參數(shù)優(yōu)化實驗，加工出了深度約200mm的微槽。2009年，葉瑞芳等[9]提出使用軸棱錐透鏡作為水導(dǎo)激光耦合系統(tǒng)中的聚焦元件。2018年，孫冬等[10]構(gòu)建了一套基于離軸光學(xué)系統(tǒng)的水導(dǎo)激光加工設(shè)備，實現(xiàn)了對0.2 mm厚的304不銹鋼的切割。2015年，Adelmann等[11]使用西諾發(fā)公司的水導(dǎo)激光加工設(shè)備研究了水導(dǎo)激光加工參數(shù)對于溝槽加工深度的影響，并得到了深寬比高達66.7的溝槽結(jié)構(gòu)。2018年，瑞士西諾發(fā)公司對水導(dǎo)激光加工與金剛石切割復(fù)合加工進行了研究，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光加工的精度相對較高。但總體上看，對水導(dǎo)激光加工技術(shù)進行研究的相關(guān)文獻還不是很多。因此，本文基于水導(dǎo)激光加工技術(shù)的基本原理研制了一套水導(dǎo)激光加工裝置，并對多種金屬材料進行了打孔、切槽等加工，用Leica DVM6超景深顯微鏡對加工后的工件表面進行了觀測與分析，實驗結(jié)果證明了搭建的水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)的合理性與可靠性。

2 試 驗

2.1 水導(dǎo)激光加工原理與設(shè)備

水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用了激光在水和空氣的界面上發(fā)生全反射的現(xiàn)象，使激光耦合在穩(wěn)定的水射流內(nèi)部，利用水射流內(nèi)部很高的能量密度來實現(xiàn)材料的去除，其基本原理如圖1所示。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)過擴束、聚焦系統(tǒng)后照射進入水腔，調(diào)整激光的束腰位置與水腔中的噴嘴小孔對齊。高壓水通過輸送系統(tǒng)也進入水腔，并從噴嘴小孔中噴出，根據(jù)噴嘴小孔的直徑合理地調(diào)整水壓，使得噴嘴小孔處噴出的水射流保持穩(wěn)定。保證激光束腰直徑小于噴嘴小孔直徑并調(diào)整激光束腰位置與小孔重合，激光就可以進入水射流中。由于水與空氣對激光的折射率不同，當(dāng)激光在空氣-水界面上的入射角大于全反射臨界角時，激光就會在水射流內(nèi)壁不斷發(fā)生全反射，并一直沿水射流傳播。由于水射流的直徑很小，在穩(wěn)定的水射流長度范圍內(nèi)，水射流內(nèi)的激光能量密度一直與處于束腰處的激光能量密度相近。因此，整個穩(wěn)定的水射流長度范圍都可以用于激光加工。

基于上述水導(dǎo)激光加工技術(shù)基本原理，構(gòu)建了水導(dǎo)激光加工設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。設(shè)備主要分為三部分：耦合對準(zhǔn)及觀測系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及三維工作臺。耦合對準(zhǔn)及觀測系統(tǒng)主要由激光器、擴束及聚焦元件、耦合單元及觀測相機組成。激光由激光器發(fā)出后經(jīng)過擴束單元及半透半反鏡后進入聚焦系統(tǒng)，激光經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后聚焦在耦合單元內(nèi)的噴嘴小孔附近。從噴嘴小孔附近反射的光則向上進入觀測光路并使噴嘴小孔在觀測相機的CCD上成像，這樣在顯示器上可以同時看到激光照射在噴嘴小孔附近的光斑及噴嘴小孔的位置。為了使大部分激光都能耦合進水射流內(nèi)部，首先調(diào)整聚焦系統(tǒng)的位置使激光照射在噴嘴小孔附近的光斑直徑最小。接下來調(diào)整激光光路中的光學(xué)元件的位置直至激光束腰位置與噴嘴小孔重合，這樣就完成了激光與水射流的耦合。

圖1 水導(dǎo)激光加工技術(shù)基本原理

圖2 水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)示意圖

供水系統(tǒng)則主要由供水泵、穩(wěn)壓器、壓力表、調(diào)壓閥、溢流閥組成，供水系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地控制進入耦合單元的高壓水的壓力并保證壓力數(shù)值的穩(wěn)定。待加工工件被固定在三維工作臺上，三維工作臺工作尺寸為120 mm′120 mm′100 mm，數(shù)字控制系統(tǒng)可以使三維工作臺進行二維或三維的直線及圓弧插補運動，通過編制一系列運動控制方案，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的加工軌跡。

2.2 實驗條件與方法

水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)中采用的是出光波長為532 nm的Nd:YAG固體激光器，實驗中采用的激光器參數(shù)如表1所示。激光依次通過擴束系統(tǒng)及聚焦系統(tǒng)后聚焦在噴嘴小孔附近，通過調(diào)整光路系統(tǒng)中的光學(xué)元件可以精準(zhǔn)地調(diào)整激光束腰與噴嘴小孔的相對位置，使激光穩(wěn)定地耦合進水射流中。根據(jù)觀測相機測得的噴嘴附近的圖像可以調(diào)整激光束腰位置與噴嘴小孔的、方向的相對位置，通過觀察激光焦點的大小可以調(diào)整激光束腰與噴嘴小孔的向位置。如果激光束腰位置與噴嘴小孔的位置沒有對準(zhǔn)，激光會把噴嘴小孔燒壞，圖3(a)和圖3(b)分別為損壞后與損壞前的噴嘴小孔的微觀形貌。圖3(a)中噴嘴小孔中的凸起為融化后的噴嘴材料，由于噴嘴小孔中的凸起破壞了水流道的外形，造成水射流無法保持穩(wěn)定，不能再進行水導(dǎo)激光加工。

為減少水中雜質(zhì)對激光傳播的衰減作用，供水系統(tǒng)的進水為去離子水，經(jīng)由供水泵產(chǎn)生的高壓水依次通過調(diào)壓閥和穩(wěn)壓器后進入耦合模塊，并從噴嘴小孔中噴出形成穩(wěn)定的水射流。實驗中采用的噴嘴小孔直徑為100mm，由于高壓水從噴嘴小孔中噴出時會產(chǎn)生縮流現(xiàn)象，實際產(chǎn)生的水射流直徑約為噴嘴直徑的83%[12]。

在水導(dǎo)激光加工實驗中分別對C276哈氏合金板及SAE1070冷軋彈簧鋼板進行了打孔、切槽與圖案切割實驗，實驗參數(shù)如表1所示。為了觀測加工后的工件表面形貌，使用Leica DVM6超景深顯微鏡對加工后的工件表面圖像及三維形貌進行了測量。

表1 實驗參數(shù)

圖3 損壞前后的噴嘴小孔。(a) 損壞后的小孔；(b) 未損壞的小孔

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 C276哈氏合金加工實驗

使用水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)對C276哈氏合金進行了打孔、切槽及圖案加工實驗。打孔加工時間為5 s，切槽加工次數(shù)為1次，其余加工參數(shù)如表1所示。使用Leica DVM6超景深顯微鏡對加工區(qū)域進行了觀測，如圖4和圖5所示。圖4(a)中水導(dǎo)激光加工得到的盲孔直徑為95.7mm，小于噴嘴小孔的直徑100mm，證明從噴嘴中噴出的水射流出現(xiàn)了縮流效應(yīng)，符合水導(dǎo)激光加工的基本原理。

切槽加工結(jié)果如圖4(b)所示，槽寬為91.97mm，槽深81.28mm，槽寬比盲孔的直徑要小，這是因為相對于打孔加工，切槽加工時激光在同一位置停留時間較短，槽的側(cè)壁吸收激光能量較少，因此相應(yīng)的材料去除寬度也較小。從圖中可以觀察到，槽側(cè)壁平直，槽底部可見長條狀加工痕跡，這說明水射流狀態(tài)十分穩(wěn)定，激光在水射流中的分布幾乎不隨時間變化。此外，可以觀察到槽壁附近沒有黑色物質(zhì)沉積，這是因為進行切槽加工時，水射流排出通暢，快速帶走了熔融物質(zhì)，避免了其在溝槽附近產(chǎn)生沉積。圖4(b)位置的三維形貌如圖5(a)所示，根據(jù)圖5(b)的截面高度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)切槽的截面形狀呈圓角V形，這是由于水射流中心部位激光能量密度較高[13]，造成了溝槽中心部位的加工深度較深。V形溝槽這一實驗現(xiàn)象也與孫冬等[14]的實驗測量結(jié)果一致。

圖4 C276 哈氏合金水導(dǎo)激光加工觀測結(jié)果。(a) 小孔；(b) 切槽；(c) 方形切槽

圖5 C276哈氏合金切槽區(qū)域三維及截面形貌。(a) 空間三維形貌；(b) 截面形貌

圖4(c)所示為邊長2 mm方形圖案切割結(jié)果，從圖中可以看出方形圖案十分規(guī)整，切痕清晰平直。由于運動機構(gòu)在運行至方形圖案的四角時稍有停頓，可以發(fā)現(xiàn)方形圖案的四角加工深度較深。此外，也注意到盲孔的直徑大于水射流的理論直徑83mm，這是因為加工過程中盲孔的側(cè)壁一直在吸收激光能量[11]，造成盲孔直徑逐漸變大，超過水射流的理論直徑。盲孔的側(cè)壁規(guī)則圓滑，加工質(zhì)量較好，由于盲孔加工時水流帶動熔融物質(zhì)排出不易，盲孔側(cè)壁外圍有黑色物質(zhì)沉積，推測應(yīng)該是熔融物質(zhì)的沉積。堆積的熔融物質(zhì)對工件表面質(zhì)量有較大影響，在加工中應(yīng)該盡量避免。為了使水流有足夠的流動空間帶走熔融物質(zhì)，可以采用旋轉(zhuǎn)打孔法，使用比目標(biāo)孔直徑小1/2以上的水導(dǎo)激光射流進行孔加工，加工時水射流運動軌跡為圓形，使水射流外壁面與目標(biāo)孔的外壁面相切，如圖6所示。由于盲孔深度較深，超景深顯微鏡使用同軸光和環(huán)形光都無法照到孔的底部，所以孔中心為黑色，只能看到盲孔底面的一部分。

圖6 旋轉(zhuǎn)打孔法示意圖

3.2 SAE1070冷軋彈簧鋼加工實驗

使用水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)對SAE1070冷軋彈簧鋼進行打孔與切槽實驗，實驗參數(shù)如表1。打孔加工時間為10 s，切槽加工次數(shù)為1次。使用Leica DVM6超景深顯微鏡對加工區(qū)域進行觀測，觀測結(jié)果如圖7所示。

如圖7(a)所示，水導(dǎo)激光加工設(shè)備切出的盲孔邊界清晰規(guī)則，加工質(zhì)量較好。使用超景深顯微鏡測量得到盲孔直徑為112mm，推測是由于加工時間較長，盲孔的側(cè)壁也吸收了一部分激光能量[11]，導(dǎo)致盲孔直徑隨著時間不斷增大，最終超過了水射流的直徑。在孔的外圍同樣能觀察到褐色的沉積物，這是由于盲孔結(jié)構(gòu)相對封閉，熔融物隨水流排出不暢，在盲孔外側(cè)堆積形成的。為避免孔加工過程中熔融物質(zhì)堆積造成表面質(zhì)量變差，可以采用圖6所示的旋轉(zhuǎn)打孔法進行加工。同樣由于盲孔比較深，超景深顯微鏡不能照亮孔底部，因此只能看到底部的一部分。

圖7(b)所示為切槽實驗的結(jié)果，切槽寬度84.75mm，槽深為46.38mm，可以觀察到切槽平直，邊緣毛刺小。在槽的底部同樣可以觀察到一條較深的加工痕跡，這說明水射流中心部位的激光能量密度較高，且水射流狀態(tài)十分穩(wěn)定，激光在水射流內(nèi)的分布狀態(tài)比較穩(wěn)定。溝槽內(nèi)可以看到較多的亮色塊，推測為加工過程中不易熔融的碎屑殘留。圖7(b)位置的三維形貌如圖8(a)所示，根據(jù)圖8(b)的截面高度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，水導(dǎo)激光切槽的截面同樣為V形，說明水射流中心部位激光能量密度較高。

對比圖4與圖7，可以發(fā)現(xiàn)對不同金屬材料進行水導(dǎo)激光加工后，盲孔的側(cè)壁規(guī)則圓潤，切槽的側(cè)壁平直沒有毛刺，未觀察到熱影響區(qū)，且槽中心均有連續(xù)的長條狀加工痕跡，這說明水導(dǎo)激光加工過程十分穩(wěn)定，加工得到的槽狀結(jié)構(gòu)也符合水導(dǎo)激光加工表面質(zhì)量高、無熱影響區(qū)的特點。

圖7 SAE1070冷軋彈簧鋼水導(dǎo)激光加工觀測結(jié)果。(a) 小孔；(b) 切槽

圖8 SAE1070切槽區(qū)域三維及截面形貌。(a) 空間三維形貌；(b) 截面形貌

4 結(jié) 論

本文對水導(dǎo)激光加工技術(shù)的基本原理進行了闡釋并基于此研制了一套水導(dǎo)激光加工設(shè)備。該設(shè)備采用出光波長為532 nm的納秒激光器，可以將激光耦合進直徑100mm的噴嘴所產(chǎn)生的水射流。使用該設(shè)備對兩種不同的金屬材料分別進行了打孔與切槽加工實驗。根據(jù)超景深顯微鏡的測量結(jié)果，對兩種金屬材料進行水導(dǎo)激光加工得到的盲孔邊緣規(guī)則圓滑，切槽的邊緣平直無毛刺，沒有熱影響區(qū)，符合水導(dǎo)激光加工技術(shù)的特點。本文通過實驗研究初步驗證了所研制的水導(dǎo)激光加工設(shè)備的合理性與可靠性，后續(xù)會進一步開展利用水導(dǎo)激光加工技術(shù)制造毫米級厚度貫通結(jié)構(gòu)的研究。

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Experimental study on laser water-jet machining of metal material

Cao Zhihe1,2, Qiao Hongchao1,2*, Zhao Jibin1,2

1Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110179, China;2Institute of Robotics and Intelligent Manufacturing Innovation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110179, China

Basic principle of water-conducting laser processing technology

Overview:The laser processing technology of metal material is developing with a trend of low surface roughness, small heat-affected zone and high depth-diameter ratio. Recently, a kind of water-conducting laser processing technology has been developed based on water-jet coupling technology. In this technology, the laser is completely reflected at the interface between water jet and air. The flushing and cooling effect of water jet improve the surface roughness and decrease the size of heat-affected zone. The water jet in steady state which can be used to conduct laser and remove material has high depth-diameter ratio. And this technology also makes laser processing of structures with high depth-diameter ratio become possible.

To reveal the material removing feature of water-conducting laser processing technology, a set of water-conducing laser processing equipment is developed. This equipment consists of coupling and observation system, motion control system and water supply system. The experiments of water-conducting laser processing for C276 alloy and SAE 1070 alloy are carried out. The laser used in experiments has a wavelength of 532 nm. The diameter of water jet nozzle hole is 100 μm and the diameter of water jet is about 83 μm. Holes and groves are machined on both materials and the morphology of machining zone is measured by Leica DVM6 digital microscope.

In the blind hole machining experiment, the edge of hole is regular and smooth. And the diameter of blind hole is larger than the diameter of water jet. The reason is that the side walls of blind hole also absorb the energy of laser in machining process. And the diameter of blind holes machined for longer time is also bigger. But there is molten sediment around the blind hole for the reason that the drainage condition in blind hole machining is not good. The water connot flush the molten materials away efficiently. To improve the drainage condition of water and eliminate the molten sediment, the rotary cutting method can be used.

In the grove machining experiment, the edges of grooves are straight and without burrs, and there is no heat-affected zone in both materials. The section shape of grove is nearly a fillet triangle, and the reason is that the central part of water jet has higher energy density. In the machining of grove, no molten sediment is observed because the flow of water is unimpeded and the water brings molten sediment away efficiently.

The material removing feature of water-conducting laser processing technology is revealed and the results of machining experiments show that water-conducting laser processing technology on metal precision machining is practical and has important application value.

Citation: Cao Z H, Qiao H C, Zhao J BExperimental study on laser water-jet machining of metal material[J]., 2020, 47(2): 190423

Experimental study on laser water-jet machining of metal material

Cao Zhihe1,2, Qiao Hongchao1,2*, Zhao Jibin1,2

1Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110179, China;2Institute of Robotics and Intelligent Manufacturing Innovation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110179, China

The development direction of metal material laser processing is to achieve small roughness, less heat-affected zone and high depth-diameter ratio. Recently, a kind of water-conducting laser processing technology based on laser water-jet coupling technology has been developed. The basic principle of water-conducting laser processing technology and its advantages over traditional laser processing methods are expounded. Based on the principle of laser water-jet coupling technology, a set of water-conducting laser processing equipment is constructed. The experiments of water-conducting laser processing for various metal materials are carried out. The surfaces of work piece are observed and analyzed by Leica DVM6 digital microscope. The edges of blind holes in two kinds of metal materials are regular and smooth, the edges of grooves are straight and without burrs, and there is no heat-affected zone in both materials. The results of experiments show that water-conducting laser processing technology on metal precision machining is practical and has important application value.

laser water-jet; coupling technology; laser processing; surface quality

Supported by National Natural Science Foundation of China (51875558)

TG147

A

10.12086/oee.2020.190423

: Cao Z H, Qiao H C, Zhao J B. Experimental study on laser water-jet machining of metal material[J]., 2020,47(2): 190423

2019-07-22；

2019-10-21基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51875558)

曹治赫(1992-)，男，碩士研究生，研究實習(xí)員，主要從事激光加工工程的研究。E-mail：caozhihe@sia.cn

喬紅超(1982-)，男，碩士生導(dǎo)師，研究員，主要從事激光加工工程的研究。E-mail：hcqiao@sia.cn

曹治赫，喬紅超，趙吉賓. 金屬材料水導(dǎo)激光加工實驗研究[J]. 光電工程，2020，47(2): 190423

* E-mail: hcqiao@sia.cn