JC35導(dǎo)讀：本文著重探討了水導(dǎo)激光加工過程中的激光與液束耦合原理及加工效果，分析了體加熱激光切割玻璃過程中的溫度場和應(yīng)力場，以及曲線切割和多層玻璃激光切割技術(shù)。針對兩種非常規(guī)激光加工技術(shù)——水導(dǎo)激光加工和體加熱激光切割玻璃技術(shù)，進(jìn)行了理論分析及仿真技術(shù)研究，建立了兩種加工技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了較好的加工效果，為實(shí)際加工奠定了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　
　　引言
　　
　　目前，激光切割、激光焊接等常規(guī)激光加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用基本上是依靠其與材料作用產(chǎn)生高溫，使材料熔化或氣化，從而達(dá)到加工的目的。所帶來的問題主要有：（1）加工區(qū)產(chǎn)生熱影響變質(zhì)層，該變質(zhì)層與基體材料的物理和機(jī)械特性有很大不同，對加工零件部件的應(yīng)用有很大影響；（2）加工區(qū)易殘留熔屑，影響加工質(zhì)量；（3）加工盲孔或盲槽時熔屑不易排出，很難實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的加工；（4）加工精度和表面質(zhì)量較低，難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工；（5）在薄板上進(jìn)行大面積多孔加工時易產(chǎn)生熱變形；（6）加工硬脆材料時，加工區(qū)易產(chǎn)生微裂紋。上述問題對激光加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了一定的局限性。
　　
　　針對上述問題，開展了水導(dǎo)激光加工技術(shù)和體加熱激光玻璃切割技術(shù)的研究，這些新技術(shù)可以彌補(bǔ)上述常規(guī)激光加工所存在的問題，突破其局限，拓寬激光加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　
　　水導(dǎo)激光加工
　　
　　水導(dǎo)激光原理及其特點(diǎn)
　　
　　水導(dǎo)激光（Water-jetguidedlaser）是以微細(xì)水流為介質(zhì)的光纖系統(tǒng)，以水流引導(dǎo)高能激光對工件進(jìn)行加工的新技術(shù)。由于水和空氣的折射率不同，穩(wěn)定的水流與空氣界面分布清晰，水流中的激光束在水的內(nèi)表面發(fā)生全反射，使激光能量限制在水束中，經(jīng)過多次全反射后形成截面能量均勻分布的能量束。
　　
　　該技術(shù)的特點(diǎn)有：
　　
　?。?）由于水射流冷卻，熱影響區(qū)小、熱殘余應(yīng)力小、微裂紋少；
　　
　　（2）由于沖刷作用明顯減少熔融重凝物；
　　
　　（3）對離焦量的變化不敏感，可切割復(fù)雜表面材料和多層材料，切縫錐度很小；
　　
　　（4）加工區(qū)域的激光能量分布均勻；
　　
　?。?）可加工盲槽（孔）和三維結(jié)構(gòu)。
　　
　　該技術(shù)非常適合進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工，如硅片的劃切、醫(yī)療器械和電子產(chǎn)品中微結(jié)構(gòu)的加工和MEMS中的微結(jié)構(gòu)和微零件的加工等。
　　
　　關(guān)鍵技術(shù)
　　
　　激光與水束耦合技術(shù)
　　
　?。?）激光與水束耦合傳輸
　　
　　激光輸入水束有兩種軌跡：一種稱為子午光線（也稱傍軸光線），指入射光線通過水束軸線；另一種不通過水束軸線，稱作斜射光線。子午光線的軌跡始終在包含光纖光軸的主截面內(nèi)，在水束界面不斷發(fā)生爭反射，形成曲折光路，產(chǎn)生全反射的條件是入射角必須大于臨界入射角。斜射光線和水束中心不在一個平面內(nèi)，和水束中心軸是異面直線，因而，斜射光線在水束中經(jīng)過多次反射后光路軌跡是與水束中心軸線等距的空間螺旋折線。在斜射光線軌跡中，選擇合適的光線與水束中心的偏移量，可使激光能量在水束中的分布均勻。
　　
　?。?）激光在水束中傳輸?shù)哪芰繐p失
　　
　　激光經(jīng)過水層傳輸過程中有能量損失，激光峰值功率越高其能量損失也越大。
　　
　?。?）水束光纖生成技術(shù)
　　
　　要生成較為理想的水束光纖，形成水束的質(zhì)量非常關(guān)鍵。影響水束質(zhì)量的主要因素有耦合腔入水與出水狀態(tài)，噴孔質(zhì)量與幾何形狀和水的壓力等。耦合腔中水的流場如果處于不對稱分布，不僅影響水束質(zhì)量，同時，激光束通過水層時會產(chǎn)生微小偏移，影響激光與噴孔的對準(zhǔn)。用仿真的方法對耦合腔入水方式的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用8入口的耦合裝置、水腔的上下表面平行度出現(xiàn)偏差，對流場的穩(wěn)定性影響也很小，降低了耦合裝置的制造難度。噴孔的幾何形狀對水束質(zhì)量的影響如圖5所示。形成返流時水束的質(zhì)量，要求噴孔上表面有較小的表面粗糙度，噴孔入口尖角半徑（r）要很小。
　　
　　水導(dǎo)數(shù)光加工系統(tǒng)
　　
　　所建系統(tǒng)由激光器、工作臺、耦合系統(tǒng)、高壓供水系統(tǒng)和加工過程檢測系統(tǒng)所組成。
　　
　　激光器為英國Lumonics公司的JK702HYAG激光器。工作臺為三維數(shù)控工作臺。耦合系統(tǒng)中包括可實(shí)現(xiàn)三軸微調(diào)的耦合裝置和光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)激光束與噴孔準(zhǔn)確對準(zhǔn)。