一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置及其加工方法

1.一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置，其特征在于：所述加工裝置包括激光聚焦裝置(1)、噴霧裝置(2)、噴霧調(diào)整裝置(3)和旋轉(zhuǎn)裝置(4)，所述旋轉(zhuǎn)裝置(4)安裝在激光聚焦裝置(1)上，所述旋轉(zhuǎn)裝置(4)與噴霧調(diào)整裝置(3)相連接，所述噴霧調(diào)整裝置(3)上設置噴霧裝置(2)；
所述噴霧裝置(2)包括噴霧頭(8)、調(diào)壓閥Ⅱ(9)、過濾器(10)、單向閥(11)、水槽(12)、氣管(13)和水管(14)，壓縮空氣通過氣管(13)經(jīng)過調(diào)壓閥Ⅱ(9)到達噴霧頭(8)，所述噴霧頭(8)通過水管(14)依次連接單向閥(11)、過濾器(10)和水槽(12)，所述噴霧頭(8)處的壓縮空氣輸入壓力為0.2～0.4MPa，所述噴霧頭(8)出口直徑為0.5～3mm，噴射霧化角度10～
20°，水霧的霧化粒徑為10～100μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置，其特征在于：所述激光聚焦裝置(1)包括聚焦透鏡(5)、防護錐管(6)和調(diào)壓閥Ⅰ(7)，所述聚焦透鏡(5)安裝在防護錐管(6)內(nèi)的上端，所述防護錐管(6)側(cè)面裝有調(diào)壓閥Ⅰ(7)，保護氣通過調(diào)壓閥Ⅰ(7)進入防護錐管(6)內(nèi)，所述防護錐管(6)在下端開有圓形激光出口，脈沖激光通過聚焦透鏡(5)聚焦并從圓形激光出口射出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置，其特征在于：所述噴霧調(diào)整裝置(3)包括支撐板(15)、直線位移滑臺Ⅰ(16)、轉(zhuǎn)臺(17)和直線位移滑臺Ⅱ(18)，所述直線位移滑臺Ⅱ?(18)安裝在轉(zhuǎn)臺(17)上，所述轉(zhuǎn)臺(17)安裝在直線位移滑臺Ⅰ?(16)上，所述直線位移滑臺Ⅰ?(16)安裝在支撐板(15)上，所述支撐板(15)安裝在旋轉(zhuǎn)裝置(4)上，所述噴霧頭(8)安裝在支撐板(15)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置，其特征在于：所述旋轉(zhuǎn)裝置(4)為中空的電控旋轉(zhuǎn)臺，所述旋轉(zhuǎn)裝置(4)包括軸承座(19)、軸承(20)、齒輪Ⅰ(21)、電動機(22)和齒輪Ⅱ(23)，所述軸承座(19)與防護錐管(6)通過螺栓連接，所述支撐板(15)固定于齒輪Ⅰ(21)之上，所述軸承(20)安裝于軸承座(19)之中，所述齒輪Ⅰ(21)與軸承座(19)相連接，所述電動機(22)與齒輪Ⅱ(23)相連接，所述齒輪Ⅱ(23)與齒輪Ⅰ(21)嚙合。
5.一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，其特征在于：所述加工方法包括以下步驟，
步驟1：開啟激光聚焦裝置(1)的保護氣；
步驟2：調(diào)整噴霧調(diào)整裝置(3)的上下位置和角度；
步驟3：調(diào)整噴霧調(diào)整裝置(3)的水平位置，確保脈沖激光通過激光聚焦裝置(1)?后照射在快速流動超薄水膜的穩(wěn)定區(qū)；
步驟4：根據(jù)脈沖激光和水膜參數(shù)進行單次激光加工燒蝕形貌的求解；
步驟5：根據(jù)單次激光加工燒蝕形貌的寬度和深度數(shù)值和待加工工件幾何參數(shù)制定最終脈沖激光加工軌跡；
步驟6：開啟脈沖激光，使激光聚焦在待加工區(qū)的工件表面上實現(xiàn)工件材料的超薄水膜輔助激光微加工，根據(jù)上述步驟獲得的加工軌跡進行脈沖激光微加工。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，其特征在于：所述步驟1具體為，聚焦透鏡(5)的焦距L為50～200mm，防護錐管(6)的激光出口直徑r0可由公式r0＝(L?H)R/L計算確定，其中R為聚焦透鏡(5)的半徑，H為聚焦透鏡距防護錐管(6)管口的距離，取聚焦透鏡(5)的焦距L長度的1/4～1/3；由于防護氣流對水膜有一定的沖擊效果，為防止破壞水膜的流動狀態(tài)，應保證防護錐管管口距離水膜表面存在一段安全距離H1，計算公式為:
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式中：C為空氣對水的沖擊常數(shù)，C≈0.4；Qv為防護氣流量，0.6～1.5m /h；ρ1為水的密
3 2
度，1000kg/m ；g為重力加速度，9.8m/s ；r0為防護錐管管口半徑，r0＝(2/3～3/4)R；h為水膜凹陷的深度，0～0.01mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，其特征在于：所述步驟2具體為，使噴霧裝置(2)噴射出的水霧射流與工件表面的噴射夾角為35°～
50°，流量應為0.001?0.002kg/s，噴霧頭(8)距離工件表面的高度為50～70mm，以保證水霧射流撞擊工件表面后形成穩(wěn)定的且快速流動的水膜，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥Ⅱ(9)使水膜厚度為50～
150μm，流速為0.4～0.6m/s，所述水霧由蒸餾水或去離子水產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，其特征在于：所述步驟3具體為，調(diào)整噴霧調(diào)整裝置(3)的水平位置使水霧射流撞壁點中線距激光焦點的距離為20?40mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，其特征在于：所述步驟4具體為，燒蝕形貌寬度w計算公式為：
其中， f代表脈沖激光的重復頻率，Zs表示水膜折射導致得激光實際焦點的偏移距離，zR表示瑞利長度，ω0表示激光的束腰半徑，s表示水膜對激光反射所造成能量損失后的能量密度百分比，∝m為水對激光的吸收系數(shù)，hm為水膜厚度，P為激光功率，z為激光束傳播方向上的距離，Ith為激光能量密度；
燒蝕形貌深度h計算公式為：
其中，N表示等效脈沖數(shù)，k表示材料光學滲透深度系數(shù)。

一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置及其加工方法\n技術(shù)領(lǐng)域\n[0001] 本發(fā)明屬于微細加工領(lǐng)域，具體為一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置及其加工方法。\n背景技術(shù)\n[0002] 傳統(tǒng)激光加工是通過熱效應以及其他作用使材料熔化、汽化以及化學分解，從而實現(xiàn)材料去除。但是除超短脈沖激光(脈寬小于10ps是通過材料的多光子吸收，在極短時間內(nèi)產(chǎn)生熱量使材料汽化并迅速冷卻，基本無熱效應外，其余激光都表現(xiàn)出明顯的熱效應。這就使得激光加工技術(shù)具有一個很大的局限性，特別是在微細加工領(lǐng)域。受熱效應影響，在脈沖激光微加工過程中極易產(chǎn)生熱應力和重鑄現(xiàn)象，從而降低激光微加工的精度和質(zhì)量。水輔助激光加工技術(shù)是一種可以彌補傳統(tǒng)激光加工劣勢的新型復合微細加工技術(shù)，在激光加工過程中通過水介質(zhì)的沖刷和冷卻作用，可以有效降低加工熱影響和重鑄現(xiàn)象?，F(xiàn)有水輔助激光加工技術(shù)主要為水導激光加工、水下激光加工和水射流激光加工，受水介質(zhì)的厚度影響，現(xiàn)有水輔助激光加工技術(shù)中激光都會嚴重受到水介質(zhì)的吸收、反射和折射作用等的影響，限制了其激光加工效率、加工精度和加工分辨率的提升。\n發(fā)明內(nèi)容\n[0003] 本發(fā)明將提出一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置及加工方法，在不降低水介質(zhì)沖刷和冷卻作用的同時，極大減小水介質(zhì)的厚度，為了解決現(xiàn)有的水輔助激光微加工中加工效率、加工精度和加工分辨率低的問題。\n[0004] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：\n[0005] 一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置，所述加工裝置包括激光聚焦裝置1、噴霧裝置2、噴霧調(diào)整裝置3和旋轉(zhuǎn)裝置4，所述旋轉(zhuǎn)裝置4安裝在激光聚焦裝置1上，所述所述旋轉(zhuǎn)裝置4與噴霧調(diào)整裝置3相連接，所述噴霧調(diào)整裝置3?上設置噴霧裝置2。\n[0006] 進一步的，所述激光聚焦裝置1包括聚焦透鏡5、防護錐管6和調(diào)壓閥7，所述聚焦透鏡5安裝在防護錐管6內(nèi)的上端，所述防護錐管6側(cè)面裝有調(diào)壓閥Ⅰ7，保護氣通過調(diào)壓閥7進入防護錐管6內(nèi)，所述防護錐管6在下端開有圓形激光出口，脈沖激光通過聚焦透鏡5聚焦并從圓形激光出口射出。\n[0007] 進一步的，所述噴霧裝置2包括噴霧頭8、調(diào)壓閥Ⅱ9、過濾器10、單向閥11、水槽12、氣管13和水管14，壓縮空氣通過氣管13經(jīng)過調(diào)壓閥9到達噴霧頭8，所述噴霧頭8通過水管14依次連接單向閥11、過濾器10和水槽12，所述噴霧頭8處的壓縮空氣輸入壓力為0.2～\n0.4MPa，所述噴霧頭8出口直徑為0.5～3mm，噴射霧化角度10～20°，水霧的霧化粒徑為10～\n100μm。\n[0008] 進一步的，所述噴霧調(diào)整裝置3包括支撐板15、直線位移滑臺Ⅰ?16、轉(zhuǎn)臺17?和直線位移滑臺Ⅱ?18，所述直線位移滑臺Ⅱ18安裝在轉(zhuǎn)臺17上，所述轉(zhuǎn)臺17安裝在直線位移滑臺Ⅰ16上，所述直線位移滑臺Ⅰ?16安裝在支撐板15上，所述支撐板?15安裝在旋轉(zhuǎn)裝置4上，所述噴霧頭8安裝在支撐板15上。\n[0009] 進一步的，所述旋轉(zhuǎn)裝置4為中空的電控旋轉(zhuǎn)臺，所述旋轉(zhuǎn)裝置4包括軸承座19、軸承20、齒輪Ⅰ21、電動機22和齒輪Ⅱ23，所述軸承座19與防護錐管?6通過螺栓連接，所述支撐板15固定于齒輪Ⅰ23之上，所述軸承20安裝于軸承座19之中，所述齒輪Ⅰ21與軸承19相連接，所述電動機22與齒輪Ⅱ23相連接，所述齒輪Ⅱ23與齒輪Ⅰ21嚙合。\n[0010] 一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，所述加工方法包括以下步驟，\n[0011] 步驟1：開啟激光聚焦裝置1的保護氣；\n[0012] 步驟2：調(diào)整噴霧調(diào)整裝置3的上下位置和角度；\n[0013] 步驟3：調(diào)整噴霧調(diào)整裝置3的水平位置，確保脈沖激光通過激光聚焦裝置?1后照射在快速流動超薄水膜的穩(wěn)定區(qū)；\n[0014] 步驟4：根據(jù)脈沖激光和水膜參數(shù)進行單次激光加工燒蝕形貌的求解；\n[0015] 步驟5：根據(jù)單次激光加工燒蝕形貌的寬度和深度數(shù)值和待加工工件幾何參數(shù)制定最終脈沖激光加工軌跡；\n[0016] 步驟6：開啟脈沖激光，使激光聚焦在待加工區(qū)的工件表面上實現(xiàn)工件材料的超薄水膜輔助激光微加工，根據(jù)上述步驟獲得的加工軌跡進行脈沖激光微加工。\n[0017] 進一步的，所述步驟1具體為，聚焦透鏡5的焦距L為50～200mm，防護錐管6的激光出口直徑r0可由公式r0＝L?HR/L計算確定，其中R為聚焦透鏡5的半徑，H為聚焦透鏡距防護錐管6管口的距離，取聚焦透鏡5的焦距L長度的?1/4～1/3。由于防護氣流對水膜有一定的沖擊效果，為防止破壞水膜的流動狀態(tài)，應保證防護錐管管口距離水膜表面存在一段安全距離H1，計算公式為:\n[0018]\n[0019] 式中：C為空氣對水的沖擊常數(shù)，C≈0.4；Qv為防護氣流量，0.6～1.5m3/h；ρ1為水的\n3 2\n密度，1000kg/m；g為重力加速度，9.8m/s ；r0為防護錐管管口半徑，?r0＝2/3～3/4R；h為水膜凹陷的深度，0～0.01mm。\n[0020] 進一步的，所述步驟2具體為，使噴霧裝置2噴射出的水霧射流與工件表面的噴射夾角為35°～50°，流量應為0.001?0.002kg/s，所述噴霧頭8距離工件表面的高度為50～\n70mm，以保證水霧射流撞擊工件表面后形成穩(wěn)定的且快速流動的水膜，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥9使水膜厚度為50～150μm，流速為0.4～0.6m/s，所述水霧由蒸餾水或去離子水產(chǎn)生。\n[0021] 進一步的，所述步驟3具體為，調(diào)整噴霧調(diào)整裝置3的水平位置使水霧射流撞壁點中線距激光焦點的距離為20?40mm。\n[0022] 進一步的，所述步驟4具體為，燒蝕形貌寬度w計算公式為：\n[0023]\n[0024] 其中， f代表脈沖激光的重復頻率，Zs表示水膜折射導致得激光實際焦點的偏移距離，zR表示瑞利長度，ω0表示激光的束腰半徑，s表示水膜對激光反射所造成能量損失后的能量密度百分比，∝m為水對激光的吸收系數(shù)，hm為水膜厚度，P為激光功率，z為激光束傳播方向上的距離，Ith為激光能量密度；\n[0025] 燒蝕形貌深度h計算公式為：\n[0026]\n[0027] 其中，N表示等效脈沖數(shù)，k表示材料光學滲透深度系數(shù)。\n[0028] 本發(fā)明的有益效果是：\n[0029] 1.本發(fā)明通過精確制定噴霧射流撞壁參數(shù)從而快速流動的超薄水膜，在不降低水介質(zhì)沖刷和冷卻作用的同時，有效減少了水介質(zhì)對激光的吸收、反射和折射影響，從而提升了脈沖激光的加工效率、加工精度和加工分辨率。實驗結(jié)果表明，相同參數(shù)下材料去除率可提升100％以上，加工精度可提升20?50％，加工分辨率可提升5?10％。\n[0030] 2.本發(fā)明由于是有壓縮空氣的虹吸原理形成的噴霧射流撞壁超薄水膜，水膜影響面積小(水膜穩(wěn)定面積直徑通常小于50mm)且水膜穩(wěn)定性強，不易受待加工工件的表面形貌和幾何結(jié)構(gòu)影響，因此加工穩(wěn)定，可應用于各種微小表面或復雜表面的脈沖激光微加工。\n[0031] 3.本發(fā)明耗水量在0.002kg/s以內(nèi)，與現(xiàn)有水輔助激光加工相比，耗水量極小，且更環(huán)保。\n[0032] 4.本發(fā)明使用方便，通用性好，適用于多種脈沖激光加工條件，可加裝在多種激光加工設備上。\n附圖說明\n[0033] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。\n[0034] 圖2為本發(fā)明的超薄水膜輔助脈沖激光微加工原理圖。\n[0035] 圖3為本發(fā)明的噴霧撞壁仿真粒子軌跡圖。\n[0036] 圖4為本發(fā)明的噴霧撞壁成膜厚度分布圖。\n[0037] 圖5為本發(fā)明的噴霧撞壁成膜流速分布圖。\n[0038] 圖6為本發(fā)明的不同噴霧流量撞壁水膜分布圖。\n[0039] 圖7為本發(fā)明的不同噴射角度撞壁水膜分布圖。\n[0040] 圖8為本發(fā)明的噴射傾斜角度變化對撞壁水膜厚度與流速的影響示意圖。\n[0041] 圖9為本發(fā)明的噴射流量變化對撞壁水膜厚度與流速的影響示意圖。\n[0042] 激光聚焦裝置1，噴霧裝置2，噴霧調(diào)整裝置3，旋轉(zhuǎn)裝置4，聚焦透鏡5，防護錐管6，調(diào)壓閥Ⅰ?7，噴霧頭8，調(diào)壓閥Ⅱ?9，過濾器10，單向閥11，水槽12，氣管13，水管14，支撐板15，直線位移滑臺Ⅰ?16，轉(zhuǎn)臺17，直線位移滑臺Ⅱ?18，軸承座19，軸承20，齒輪Ⅰ21，電動機22，齒輪Ⅱ23。\n具體實施方式\n[0043] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。\n[0044] 實施例1\n[0045] 一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置，所述加工裝置包括激光聚焦裝置1、噴霧裝置2、噴霧調(diào)整裝置3和旋轉(zhuǎn)裝置4，所述旋轉(zhuǎn)裝置4安裝在激光聚焦裝置1上，所述所述旋轉(zhuǎn)裝置4與噴霧調(diào)整裝置3相連接，所述噴霧調(diào)整裝置3?上設置噴霧裝置2?？蓪崿F(xiàn)噴霧裝置\n2與激光聚焦裝置1在Y?Z平面內(nèi)的精確調(diào)整，并且可實現(xiàn)調(diào)整后噴霧裝置2在X?Y平面內(nèi)繞激光聚焦裝置1的實時轉(zhuǎn)動。\n[0046] 進一步的，所述激光聚焦裝置1包括聚焦透鏡5、防護錐管6和調(diào)壓閥Ⅰ?7，所述聚焦透鏡5安裝在防護錐管6內(nèi)的上端，所述防護錐管6側(cè)面裝有調(diào)壓閥Ⅰ?7，保護氣通過調(diào)壓閥Ⅰ?\n7進入防護錐管6內(nèi)，所述防護錐管6在下端開有圓形激光出口，脈沖激光通過聚焦透鏡5聚焦并從圓形激光出口射出。所述防護錐管6利用保護氣的氣流防止水霧或粉塵影響激光聚焦光路，并同時保證保護氣的氣流不影響到工件表面的流動水膜。\n[0047] 進一步的，所述噴霧裝置2包括噴霧頭8、調(diào)壓閥Ⅱ?9、過濾器10、單向閥11、水槽\n12、氣管13和水管14，壓縮空氣通過氣管13經(jīng)過調(diào)壓閥Ⅱ?9到達噴霧頭8，所述噴霧頭8通過水管14依次連接單向閥11、過濾器10和水槽12，所述噴霧裝置2利用虹吸噴霧原理生成微細水霧射流；所述噴霧頭8處的壓縮空氣輸入壓力為0.2～0.4MPa，所述噴霧頭8出口直徑為\n0.5～3mm，噴射霧化角度10～20°，水霧的霧化粒徑為10～100μm。\n[0048] 進一步的，所述噴霧調(diào)整裝置3包括支撐板15、直線位移滑臺Ⅰ?16、轉(zhuǎn)臺17?和直線位移滑臺Ⅱ?18，所述直線位移滑臺Ⅱ?18安裝在轉(zhuǎn)臺17上，所述轉(zhuǎn)臺17安裝在直線位移滑臺Ⅰ?16上，所述直線位移滑臺Ⅰ?16安裝在支撐板15上，所述支撐板?15安裝在旋轉(zhuǎn)裝置4上，所述噴霧頭8安裝在支撐板15上。通過噴霧調(diào)整裝置?3以調(diào)整噴霧頭8與脈沖激光焦點的位置，從而調(diào)整噴射出的水霧與工件表面撞壁后形成的快速流動超薄水膜的狀態(tài)，以及脈沖激光焦點處于快速流動超薄水膜中的相對位置。\n[0049] 進一步的，所述旋轉(zhuǎn)裝置4為中空的電控旋轉(zhuǎn)臺，所述旋轉(zhuǎn)裝置4包括軸承座19、軸承20、齒輪Ⅰ21、電動機22和齒輪Ⅱ23，所述軸承座19與防護錐管?6通過螺栓連接，使旋轉(zhuǎn)裝置4與激光聚焦裝置1相連，所述支撐板15固定于齒輪Ⅰ23之上，使噴霧調(diào)整裝置3與旋轉(zhuǎn)裝置4相連，所述軸承20安裝于軸承座19之中，所述齒輪Ⅰ21與軸承19相連接，所述電動機22與齒輪Ⅱ23相連接，所述齒輪Ⅱ23與齒輪Ⅰ21嚙合。脈沖激光加工時，旋轉(zhuǎn)裝置4根據(jù)激光加工運動軌跡進行實時轉(zhuǎn)動，使噴霧裝置2始終位于激光聚焦裝置1的運動前方，即確保由噴霧裝置2產(chǎn)生的超薄水膜的流動方向始終與激光加工運動方向相反。其中旋轉(zhuǎn)裝置4的轉(zhuǎn)動角度為±180°。\n[0050] 一種超薄水膜輔助脈沖激光微加工裝置的加工方法，所述加工方法包括以下步驟，\n[0051] 步驟1：開啟激光聚焦裝置1的保護氣；利用保護氣的氣流防止水霧或粉塵影響激光聚焦光路，并同時保證保護氣的氣流不影響到工件表面的流動水膜。其中所述保護氣可\n3\n為壓縮空氣或氮氣等惰性氣體，保護氣的流量為0.6～1.5m/h；\n[0052] 步驟2：調(diào)整噴霧調(diào)整裝置3的上下位置和角度；\n[0053] 步驟3：調(diào)整噴霧調(diào)整裝置3的水平位置，確保脈沖激光通過激光聚焦裝置?1后照射在快速流動超薄水膜的穩(wěn)定區(qū)；\n[0054] 步驟4：根據(jù)脈沖激光和水膜參數(shù)進行單次激光加工燒蝕形貌的求解；\n[0055] 步驟5：根據(jù)單次激光加工燒蝕形貌的寬度和深度數(shù)值和待加工工件幾何參數(shù)制定最終脈沖激光加工軌跡；\n[0056] 步驟6：開啟脈沖激光，使激光聚焦在待加工區(qū)的工件表面上實現(xiàn)工件材料的超薄水膜輔助激光微加工，根據(jù)上述步驟獲得的加工軌跡進行脈沖激光微加工。在加工過程中利用旋轉(zhuǎn)裝置4確保噴霧裝置2始終位于激光聚焦裝置1的運動前方并隨其同步運動使快速流動超薄水膜始終覆蓋工件的待加工區(qū)表面，且激光焦點始終保持在快速流動超薄水膜的穩(wěn)定區(qū)。其中所述脈沖激光為脈寬為?100ns～10ps，波長為355nm～1064nm，功率為0.5W～\n10W。\n[0057] 進一步的，所述步驟1具體為，聚焦透鏡5的焦距L為50～200mm，防護錐管6的激光出口直徑r0可由公式r0＝L?HR/L計算確定，其中R為聚焦透鏡5的半徑，H為聚焦透鏡距防護錐管6管口的距離，取聚焦透鏡5的焦距L長度的?1/4～1/3。由于防護氣流對水膜有一定的沖擊效果，為防止破壞水膜的流動狀態(tài)，應保證防護錐管管口距離水膜表面存在一段安全距離H1，計算公式為:\n[0058]\n[0059] 式中：C為空氣對水的沖擊常數(shù)，C≈0.4；Qv為防護氣流量，0.6～1.5m3/h；ρ1為水的\n3 2\n密度，1000kg/m；g為重力加速度，9.8m/s ；r0為防護錐管管口半徑，?r0＝2/3～3/4R；h為水膜凹陷的深度，0～0.01mm。\n[0060] 進一步的，所述步驟2具體為，使噴霧裝置2噴射出的水霧射流與工件表面的噴射夾角為35°～50°，流量應為0.001?0.002kg/s，所述噴霧頭8距離工件表面的高度為50～\n70mm，以保證水霧射流撞擊工件表面后形成穩(wěn)定的且快速流動的水膜，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥9使水膜厚度為50～150μm，流速為0.4～0.6m/s，所述水霧由蒸餾水或去離子水產(chǎn)生。\n[0061] 進一步的，所述步驟3具體為，調(diào)整噴霧調(diào)整裝置3的水平位置使水霧射流撞壁點中線距激光焦點的距離為20?40mm。\n[0062] 進一步的，所述步驟4具體為，燒蝕形貌寬度w計算公式為：\n[0063]\n[0064] 其中， f代表脈沖激光的重復頻率，Zs表示水膜折射導致得激光實際焦點的偏移距離，zR表示瑞利長度，ω0表示激光的束腰半徑，s表示水膜對激光反射所造成能量損失后的能量密度百分比，∝m為水對激光的吸收系數(shù)，hm為水膜厚度，P為激光功率，z為激光束傳播方向上的距離，Ith為激光能量密度；\n[0065] 燒蝕形貌深度h計算公式為：\n[0066]\n[0067] 其中，N表示等效脈沖數(shù)，k表示材料光學滲透深度系數(shù)。\n[0068] 在不降低水介質(zhì)沖刷和冷卻作用的同時，有效減少了水介質(zhì)對激光的吸收、反射和折射影響，從而提升了脈沖激光的加工效率、加工精度和加工分辨率。\n[0069] 該發(fā)明不易受待加工工件的表面形貌和幾何結(jié)構(gòu)影響，因此加工穩(wěn)定，可應用于各種微小表面或復雜表面的脈沖激光微加工。該發(fā)明耗水量在0.002kg/s以內(nèi)，與現(xiàn)有水輔助激光加工相比，耗水量極小，且更環(huán)保。該發(fā)明使用方便，通用性好，適用于多種脈沖激光加工條件，可加裝在多種激光加工設備上。\n[0070] 實施例2\n[0071] 1.形成超薄水膜的噴霧射流撞壁設置參數(shù)的求解：\n[0072] 基于DPM離散相建立噴霧撞壁成膜的仿真模型，以獲得水膜的厚度與流速分布情況并得到噴霧參數(shù)變化對水膜厚度與流速的影響規(guī)律。根據(jù)噴霧的特點，選用遵循歐拉?拉格朗日方法的拉格朗日離散相模型來模擬噴霧撞壁的整個過程。將流場區(qū)域建模并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.005m，應保證網(wǎng)格尺寸大于設置的液滴尺寸，設置噴霧頭出口直徑應在\n0.5～3mm范圍內(nèi)，噴射霧化角度10～20°，水霧的霧化粒徑為10～100μm，噴霧頭距離工件表面的高度為50～70mm。進行初始化并設置求解選項，時間步長規(guī)模為0.002s,時間迭代步數(shù)為500。同時在求解前設置監(jiān)控，采用雙精度五通道并行運算求解，即可獲得如圖3所示的噴射粒子分布以及軌跡(角度為40度，質(zhì)量流量為0.001kg/s)。\n[0073] 由以上兩圖可以觀察到噴霧噴射的液滴是自撞壁點成放射狀散布開的，并且凝聚在壁面上的液滴流動積聚成類橢圓的液膜形狀。相應的水膜厚度與流速分布圖如4以及5(角度為40°，質(zhì)量流量為0.001kg/s)所示。\n[0074] 由液膜厚度分布的圖像可以了解到噴霧撞壁形成的液膜在沿噴射方向上厚度分布是不均勻的，也沒有固定的增減規(guī)律。并且沿噴射方向線撞壁點的水膜厚度最小前后的水膜都明顯增厚。如圖4在質(zhì)量流量0.001kg/s以及噴射角度為40°的參數(shù)設置下成膜的厚度在60?130μm之間。\n[0075] 通過以上對于噴霧撞壁水膜相關(guān)參數(shù)分布的分析，可以在水膜覆蓋區(qū)域選擇合適的位置進行水膜輔助激光加工。根據(jù)綜述調(diào)研以及其他研究者的實驗探究，水膜輔助激光加工的關(guān)鍵是激光加工點位置形成薄而快速流動的水膜。根據(jù)水膜厚度與流速的分布應當調(diào)整激光光斑位置，使其位于噴霧撞壁的噴射線上，并且距離噴射撞壁點20?40mm處為宜。\n在此段范圍內(nèi)，撞壁水膜厚度位于分布曲線的凹處，而流速分布又接近峰值，滿足薄而快速流動的要求。在此處進行激光加工既具有良好的輔助作用又對激光干擾較小。這也要求在設計超薄水膜輔助脈沖激光加工裝置時，在保證撞壁點與激光加工點位置滿足距離要求后，位移平臺運動加工過程中應當保持噴頭與激光會聚透鏡的相對位置不變，即材料表面的激光燒蝕點與噴霧的撞壁點相對靜止。\n[0076] 噴霧裝置可供控制的實驗參數(shù)包括噴出流量、噴射角度以及偏移距離(撞壁點與激光加工點之間的距離)。而對于噴霧的噴出流量主要與給予的壓力有關(guān)，通過逐漸改變仿真中涉及的流量參數(shù)，可以獲得噴霧撞壁水膜隨給予流量變化的分布變化圖，如圖6所示。\n而改變噴嘴與撞壁平面的角度也會對水膜在材料表面的分布產(chǎn)生影響，如圖7(從左到右依次為10°、30°、50°)所示。由于距離噴射撞壁點20?40mm處利于進行激光加工輔助，下面研究成膜厚度與流速隨流量與角度變化規(guī)律時，取該段距離數(shù)據(jù)點的平均值作為衡量水膜厚度和流速的指標。\n[0077] 由流量變化與角度變化圖對比可以得到，噴霧流量不會像角度那樣對水膜分布的形狀帶來較大的影響，流量增大，確實使得整個水膜的厚度有了一定的增加，而角度增大卻會導致水膜的整體高度降低；另外，隨噴射角度的增加，除了水膜分布的形狀發(fā)生變化外，分布的范圍也在逐漸增大。而對于適合進行激光輔助的區(qū)域而言，水膜的厚度與流速也會發(fā)生改變，如圖8、9所示。根據(jù)研究結(jié)果可以確定噴射夾角應為35°～50°用以獲得穩(wěn)定的水膜分布，流量應為0.001?0.002kg/s，此時水膜厚度為50～150μm，流速為0.4～0.6m/s，有利于獲得穩(wěn)定的激光加工過程。\n[0078] 2.單次激光加工燒蝕形貌的求解：\n[0079] 脈沖激光光束在焦點附近的能量密度分布可以用推導公式(1)來描述。\n[0080]\n[0081] 其中，I(r，z)表示距離焦點中心r?z平面內(nèi)的能量密度分布，I0表示焦點中心點的能量密度，ω0表示激光的束腰半徑，ω(z)表示激光束在z平面上的1/e能量密度焦點半徑變化。其中I0與ω(z)可用(2)與(3)式進行計算。中心點處的能量密度I0通過功率計測得的平均功率、脈沖激光的重復頻率與激光的束腰半徑來獲得；公式(3)描述激光束截面半徑隨Z向(激光束傳播方向)變化規(guī)律，隨?Z向距離變化而逐漸增大，并與瑞利長度有關(guān)；公式(4)為瑞利長度的表達式。\n[0082]\n[0083]\n[0084]\n[0085] 考慮到水膜輔助水膜對激光反射以及吸收所導致的能量密度損失，對(2)?式進行修正，得到水膜輔助激光在材料表面的焦點中心點能量密度公式，如(5)?所示。\n[0086]\n[0087] 其中，s表示水膜對激光反射所造成能量損失后的能量密度百分比，s≈98％；?hw?4 ?1\n為水層厚度，∝w為水對激光的吸收系數(shù)。532nm波長激光的吸收系數(shù)為4.6×?10 cm ，?1\n1064nm波長激光的吸收系數(shù)為0.147cm ；P代表激光的功率；ω0表示水膜輔助激光的焦點半徑；f代表皮秒脈沖激光的重復頻率。\n[0088] 另外，水膜對激光的折射會導致激光焦點的偏移，對(3)進行修正，得公式[0089]\n[0090] 其中，Zs表示水膜折射導致得激光實際焦點的偏移距離，zR表示瑞利長度。\n[0091] 在完成激光光斑能量密度分布的定量表達之后，溝槽材料的去除是通過比較材料燒蝕閾值與激光能量密度的大小來實現(xiàn)的，即能量密度大于等于材料燒蝕閾值的部分材料去除。上述模擬過程可以通過公式(7)來描述。\n[0092]\n[0093] 光＝2ω0f/v????(8)\n[0094] 其中，N表示等效脈沖數(shù)，k表示材料光學滲透深度系數(shù)，通過公式(7)?可以直接獲得水膜輔助激光燒蝕溝槽的深度，而深度為零處坐標的差值，即為直徑方向上能量密度與材料燒蝕閾值相等的坐標的差值，可以作為溝槽燒蝕的寬度，在公式(7)中，令I(lǐng)(r，z)與Ith相等，得燒蝕溝槽寬度的計算公式，如(9)所示。\n[0095]\n[0096] 其中：\n[0097] 公式(9)中的z受激光離焦量的影響，P代表激光的平均功率，激光焦點偏移zs是水膜厚度hm的函數(shù)，水膜厚度hm又與噴霧的壓力角度以及偏移距離有關(guān)。\n[0098] 同理，可以求得溝槽深度的表達式，如(10)所示。\n[0099]\n[0100] 同樣，水膜輔助激光燒蝕獲得的溝槽深度的計算公式中N表示等效脈沖數(shù)，與激光的掃描速度直接相關(guān)，z受激光離焦量的影響，P代表激光的平均功率，激光焦點偏移zs是水膜厚度hm的函數(shù)，水膜厚度hm又與噴霧的壓力角度以及偏移距離有關(guān)。