本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光誘導(dǎo)雙空泡的方法及裝置。

背景技術(shù)：

激光誘導(dǎo)空泡加工技術(shù)是利用空泡脈動(dòng)和潰滅產(chǎn)生的沖擊波作用于工件表面，與空氣中激光加工技術(shù)相比較，具有材料氧化程度低，熱效應(yīng)影響小等特點(diǎn)。目前激光誘導(dǎo)空泡技術(shù)主要包含激光誘導(dǎo)液體介質(zhì)產(chǎn)生空泡進(jìn)行加工和激光聚焦液體介質(zhì)中的待加工材料表面進(jìn)行加工。前者具有可控性好、位置定位精確及沖擊壓強(qiáng)高等優(yōu)勢；后者通過液體介質(zhì)約束表面等離子擴(kuò)展，具有加工效果好，效率高等優(yōu)勢。

由于激光與液體介質(zhì)相互作用的復(fù)雜性，很難透徹研究激光誘導(dǎo)空泡技術(shù)。如果能綜合利用兩種激光誘導(dǎo)空泡技術(shù)，產(chǎn)生雙空泡，可疊加雙空泡誘導(dǎo)的沖擊波，加工效果倍增。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種激光誘導(dǎo)雙空泡的方法及裝置。當(dāng)激光束輻射于液體介質(zhì)，在激光聚焦處及待加工材料表面同時(shí)產(chǎn)生空泡，因此液體介質(zhì)中的空泡誘導(dǎo)強(qiáng)沖擊波和待加工材料表面空泡誘導(dǎo)產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波兩者疊加，反復(fù)或同時(shí)作用于待加工材料表面，改善材料表面強(qiáng)度等特性，具有沖擊壓強(qiáng)高、材料氧化程度低等優(yōu)勢，因此基于一種激光誘導(dǎo)雙空泡的裝置和方法具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的。

一種激光誘導(dǎo)雙空泡的方法，其特征在于：待加工材料浸泡固定于液體介質(zhì)中，激光垂直作用于液體介質(zhì)和待加工材料表面，且滿足：

J＝J₀+J₁+K·H+Q且H>R₀+R₁

在激光聚焦點(diǎn)和待加工材料表面產(chǎn)生雙空泡；

其中：J為激光能量，J₀是液體介質(zhì)的擊穿閾值，J₁為待加工材料表面的擊穿閾值，K為激光在液體介質(zhì)中單位長度損耗系數(shù)，Q為激光能量富余度，H為激光聚焦點(diǎn)至待加工材料表面的距離，R₀為激光能量為J₀的激光作用于液體介質(zhì)中產(chǎn)生的空泡半徑，R₁為激光能量為J₁的激光作用于待加工材料表面產(chǎn)生的空泡的半徑。

優(yōu)選的，所述Q取值為0-200mJ/cm²。

優(yōu)選的，所述待加工材料為鋁、銅、鐵、鋅或鈦合金中的一種。

優(yōu)選的，所述液體介質(zhì)是水、硅油或電解質(zhì)溶液中的一種。

一種激光誘導(dǎo)雙空泡的裝置,包括激光器控制面板、激光器、反射鏡、激光擴(kuò)束系統(tǒng)，所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)包括激光擴(kuò)束器和聚焦透鏡，其特征在于：所述激光器控制面板與激光器相連接，控制激光器激光的輸出；所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)過反射鏡反射至激光擴(kuò)束器上；所述聚焦透鏡將激光擴(kuò)束器的輸出光束聚焦于待加工材料表面上方距離為H處；所述待加工材料浸泡固定于盛放液體介質(zhì)的容器中；通過激光器控制面板設(shè)置激光能量參數(shù)為：

J＝J₀+J₁+K·H+Q，調(diào)節(jié)所述容器位置滿足H>R₀+R₁；

其中：J為激光能量參數(shù)，J₀是液體介質(zhì)的擊穿閾值，J₁為待加工材料表面的擊穿閾值，K為激光在液體介質(zhì)中單位長度損耗系數(shù)，Q為激光能量富余度，H為激光聚焦點(diǎn)至待加工材料表面的距離，R₀為激光能量為J₀的激光作用于液體介質(zhì)中產(chǎn)生的空泡半徑，R₁為激光能量為J₁的激光作用于待加工材料表面產(chǎn)生的空泡的半徑。

優(yōu)選的，該裝置還包括計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)與所述激光器控制面板連接。

優(yōu)選的，該裝置還包括三維移動(dòng)平臺(tái)和三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板，所述容器至于三維移動(dòng)平臺(tái)上，所述三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板分別與所述計(jì)算機(jī)和所述三維移動(dòng)平臺(tái)連接。

優(yōu)選的，該裝置還包括擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板，所述擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板分別與所述計(jì)算機(jī)和所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述待加工材料為鈦合金，所述液體介質(zhì)為水介質(zhì)，其中J＝150mJ，H＝10mm。

由于加工作業(yè)在液體介質(zhì)中進(jìn)行，一種激光誘導(dǎo)雙空泡的方法及裝置具有以下有益效果：

1.復(fù)合加工效果好：液體介質(zhì)中的雙空泡在膨脹和壓縮過程中，產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波兩者疊加，反復(fù)或同時(shí)作用于待加工材料表面，實(shí)現(xiàn)材料的復(fù)合加工。由于產(chǎn)生的是雙空泡，沖擊波強(qiáng)度強(qiáng)，作用力度大，對待加工材料表面的形貌改性等具有積極作用。

2.H值的調(diào)節(jié)—可產(chǎn)生較為明顯的雙空泡：雙空泡的產(chǎn)生為待加工材料的復(fù)合加工提供了條件。通過調(diào)節(jié)取得適宜的H值，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的雙空泡，沖擊波強(qiáng)度更強(qiáng)，對于一些硬度高的待加工材料，仍具有良好加工效果。

3.降低材料氧化程度：由于加工作業(yè)在液體介質(zhì)中進(jìn)行，氧氣含量低，加工過程中，出現(xiàn)大面積待加工材料氧化幾率小，降低材料的氧化程度。

4.熱效應(yīng)小。液體介質(zhì)的導(dǎo)熱效果好，激光與材料作用產(chǎn)生的熱量很快被導(dǎo)出，待加工材料表面熱量迅速減小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述一種激光誘導(dǎo)雙空泡裝置圖；

圖2(a)和圖2(b)為現(xiàn)有激光誘導(dǎo)單空泡方式示意圖；

圖3為液體介質(zhì)中雙空泡產(chǎn)生方式示意圖；

圖4為激光聚焦點(diǎn)空泡沖擊波探測圖；

圖5為待加工材料表面空泡沖擊波探測圖；

圖6為液體介質(zhì)中雙空泡探測脈動(dòng)序列圖；

圖7為液體介質(zhì)中單空泡探測脈動(dòng)序列圖；

圖8為液體介質(zhì)中待加工材料表面單空泡探測脈動(dòng)序列圖。

圖中：1-計(jì)算機(jī)；2-激光器控制面板；3-激光器；4-反射鏡；5-擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)；51-激光擴(kuò)束器；52-聚焦透鏡；6-玻璃容器；7-液體介質(zhì)；8-待加工材料；9-三維移動(dòng)平臺(tái)；10-三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板；11-擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板；12-待加工材料表面空泡；13-激光聚焦點(diǎn)空泡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

以下將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳述。

如圖1所示為本發(fā)明所述一種激光誘導(dǎo)雙空泡的裝置圖，包括計(jì)算機(jī)1、激光器控制面板2、激光器3、反射鏡4、擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)5、激光擴(kuò)束器51、聚焦透鏡52、玻璃容器6、液體介質(zhì)7、待加工材料8、三維移動(dòng)平臺(tái)9、三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板10和擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板11。所述計(jì)算機(jī)1連接激光器控制面板2、三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板10和擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板11，直接對激光器控制面板2、三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板10和擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板11的調(diào)控，間接控制激光器3的激光輸出、三維移動(dòng)平臺(tái)9三維方向的移動(dòng)和擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)5的光束擴(kuò)束與聚焦。所述激光器控制面板2分別與計(jì)算機(jī)1和激光器3相連接，控制激光器3激光的輸出。所述激光器3位于光路的最左端，激光器3發(fā)出的光束經(jīng)過反射鏡4反射至擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)5上。所述擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)5包含激光擴(kuò)束器51和聚焦透鏡52，反射光束先后經(jīng)過激光擴(kuò)束器51與聚焦透鏡52，輻射于液體介質(zhì)7中，此時(shí)光束的光斑尺寸變大，利于產(chǎn)生球形空泡。所述玻璃容器6盛滿液體介質(zhì)7，置于三維移動(dòng)平臺(tái)9上固定。所述待加工材料8置于玻璃容器6內(nèi)固定。所述三維移動(dòng)平臺(tái)9與三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板10相連，實(shí)現(xiàn)玻璃容器6三維方向的移動(dòng)。所述三維移動(dòng)平臺(tái)控制面板10分別與計(jì)算機(jī)1和三維移動(dòng)平臺(tái)9相連，用于控制三維移動(dòng)平臺(tái)9的三維移動(dòng)。所述擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)控制面板11分別與計(jì)算機(jī)1和擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)5相連，用于控制空泡的形狀。

本發(fā)明所述一種激光誘導(dǎo)雙空泡的方法，是將玻璃容器6置于三維移動(dòng)平臺(tái)9上固定，待加工材料8放入玻璃容器6內(nèi)固定，注入液體介質(zhì)7至玻璃容器6內(nèi)，激光經(jīng)過擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)5后穿過液體介質(zhì)7至待加工材料8表面時(shí)，經(jīng)由上述步驟選取的適宜的H值和激光參數(shù)J，在待加工材料8表面上方H處與待加工材料8表面區(qū)域會(huì)同時(shí)產(chǎn)生空泡，即激光誘導(dǎo)雙空泡，然后液體介質(zhì)7中的空泡誘導(dǎo)強(qiáng)沖擊波和待加工材料8表面空泡誘導(dǎo)產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波兩者疊加，反復(fù)或同時(shí)作用于待加工材料8表面，實(shí)現(xiàn)待加工材料表面的加工。

激光誘導(dǎo)雙空泡產(chǎn)生的沖擊波遠(yuǎn)強(qiáng)于單空泡。如圖2所示為現(xiàn)有激光誘導(dǎo)單空泡方式示意圖，共有兩種，一是如圖2(a)所示的待加工材料8水平置于玻璃容器6內(nèi)，二是如圖2(b)所示的待加工材料8豎直置于玻璃容器6內(nèi)，緊密貼合于玻璃容器6的左壁上。這兩種方式均可產(chǎn)生單空泡，利用單空泡脈動(dòng)和潰滅產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波，實(shí)現(xiàn)待加工材料表面的激光加工。

如圖3所示為液體介質(zhì)中雙空泡示意圖。當(dāng)選取合適的激光能量密度，液體介質(zhì)7在焦點(diǎn)處被擊穿，產(chǎn)生待加工材料表面空泡12和激光聚焦點(diǎn)空泡13，兩空泡產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波疊加，反復(fù)或同時(shí)作用于待加工材料8表面，具有沖擊壓強(qiáng)高、材料氧化程度低等特點(diǎn)。

如圖4和圖5所示，分別為激光聚焦點(diǎn)空泡沖擊波探測圖和與待加工材料表面空泡沖擊波探測圖。由于高頻探測光束的視場局限性，只能分別探測兩個(gè)位置的沖擊波，直接反映出激光誘導(dǎo)雙空泡的沖擊波能夠產(chǎn)生高強(qiáng)作用力，實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)雙空泡的沖擊加工。

本發(fā)明所述一種雙空泡激光加工方法，具體包括如下步驟：

1)擺放設(shè)備：按照裝置圖擺放、連接設(shè)備，并將玻璃容器6置于三維移動(dòng)平臺(tái)9上后固定；

2)固定待加工材料：將待加工材料8放入玻璃容器6內(nèi)固定。

3)調(diào)節(jié)H值：H值是指激光聚焦點(diǎn)至待加工材料作用表面的距離。通過調(diào)節(jié)三維移動(dòng)平臺(tái)9實(shí)現(xiàn)不同的H取值。注意H值稍微取大些，應(yīng)滿足H>R₀+R₁，R₀為激光能量為J₀的激光作用于液體介質(zhì)中產(chǎn)生的空泡半徑，R₁為激光能量為J₁的激光作用于待加工材料表面產(chǎn)生的空泡的半徑；

4)注入液體介質(zhì)：使用量杯緩慢注入液體介質(zhì)7至玻璃容器6內(nèi)，避免液體內(nèi)部空泡產(chǎn)生，液面位于玻璃容器6最上端；

5)設(shè)置激光參數(shù)：設(shè)置激光能量參數(shù)J，使J＝J₀+J₁+K·H+Q，J₀是液體介質(zhì)7的激光擊穿閾值，J₁為待加工材料表面的激光擊穿閾值，K為激光在液體介質(zhì)7中單位長度損耗系數(shù)，Q為激光能量富余度，通過有限次實(shí)驗(yàn)獲得，一般取值為0-200mJ/cm²；

6)產(chǎn)生雙空泡：根據(jù)上述設(shè)置的參數(shù)值，打開激光器，輸入?yún)?shù)值。激光束聚焦液體介質(zhì)7后，輻射于待加工材料表面，同時(shí)產(chǎn)生雙空泡。雙空泡產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波疊加同時(shí)或反復(fù)作用于待加工材料表面。

實(shí)施例1

實(shí)施加工的激光器，λ＝1064nm，脈寬為10ns，激光重復(fù)頻率為1Hz。

選取鈦合金作為待加工材料，液體介質(zhì)為水介質(zhì)。

將玻璃容器置于三維移動(dòng)平臺(tái)上并固定。將待加工材料水平放置于玻璃容器內(nèi)并固定。通過三維移動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)H值，取H＝10mm為產(chǎn)生雙空泡的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值。使用量杯緩慢注入液體介質(zhì)至玻璃容器內(nèi)，避免液體內(nèi)部空泡產(chǎn)生，液面位于玻璃容器最上端，使水介質(zhì)充滿整個(gè)玻璃容器。

調(diào)節(jié)擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測得水介質(zhì)的擊穿閾值J₀＝68mJ，鈦合金的激光擊穿閾值為55mJ，查資料可知1064nm的紅外激光衰減系數(shù)為0.8-0.9/m，因此在水中的傳輸損耗為8-9mJ，實(shí)驗(yàn)測得的常用富余度值為18mJ，根據(jù)J＝J₀+J₁+K·H+Q，設(shè)置激光能量J＝150mJ。

根據(jù)上述設(shè)置的參數(shù)值，打開激光器，輸入?yún)?shù)值。采用高速攝像機(jī)Phantom v2511探測空泡脈動(dòng)序列圖，如圖6為液體介質(zhì)中雙空泡探測脈動(dòng)序列圖，由于在激光聚焦點(diǎn)和待加工材料表面同時(shí)擊穿，在擊穿的區(qū)域產(chǎn)生發(fā)出白光的等離子體，同時(shí)等離子體對外高速膨脹，持續(xù)壓縮附近液體介質(zhì)7，產(chǎn)生沖擊波和雙空泡現(xiàn)象。初始的空泡泡內(nèi)壓強(qiáng)高于周圍的液體介質(zhì)7，在壓強(qiáng)差作用下空泡向外擴(kuò)張變大。當(dāng)空泡半徑達(dá)到最大時(shí)，受外界壓力和表面張力約束下，空泡開始被壓縮。當(dāng)壓縮至最小時(shí)，泡內(nèi)壓強(qiáng)大于周圍液體介質(zhì)7的靜壓，空泡開始反彈，如此往復(fù)。往復(fù)次數(shù)越多，損耗越大，直至空泡潰滅。

實(shí)施例2

取激光能量值為80mJ，稍大于激光擊穿水介質(zhì)的閾值，考慮激光在器件和液體介質(zhì)中傳輸?shù)膿p耗，其他參數(shù)設(shè)置和裝置同實(shí)施例完全相同，探測出液體介質(zhì)中單空泡脈動(dòng)序列圖如圖7。此時(shí)激光能量僅能夠擊穿液體介質(zhì)，當(dāng)激光束傳輸至待加工材料表面時(shí)，考慮到液體介質(zhì)7的吸收作用以及待加工材料表面的擊穿閾值，待加工材料表面處未能夠產(chǎn)生空泡，故形成單空泡。

實(shí)施例3

通過三維移動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)H值，取H＝0mm。激光能量設(shè)置為60mJ，其他參數(shù)與實(shí)施例1相同。探測出待加工材料表面處單空泡脈動(dòng)序列如圖8。此時(shí)激光聚焦點(diǎn)在待加工材料表面，能量大且超過待加工材料表面的擊穿閾值，其它各點(diǎn)能量較小且不足以擊穿液體介質(zhì)，所以僅在待加工材料表面形成空泡。因?yàn)榇庸げ牧媳砻娴淖钃踝饔?，形成的空泡為半圓形而不是圓形。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。