激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及激光‑水射流复合加工中的测量装置及方法，尤其是能测量激光‑水射流复合微细加工中的激光光束质量因子(M2)的，一种激光‑水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法。本装置由防水密封箱、丝杠驱动的直线导轨、激光聚焦镜头支架、激光聚焦镜头、立柱、精密三轴运动平台、水射流喷嘴、底座、光斑分析仪构成。利用本装置实施的方法是操控本装置实施对激光‑水射流复合加工中的测量。本发明专利技术提高了测量激光‑水射流复合微细加工中的激光光束质量，填补相应测量装置和方法的技术空白，能实现功率密度超过光斑分析仪量程范围的激光束的测量，为激光‑水射流复合微细加工选择合适的加工工艺条件、优化加工工艺参数提供理论依据。

Device and method for measuring laser beam quality factor in laser water jet combined machining

The invention relates to a measuring device and a method of laser beam water jet composite processing, in particular, the laser beam quality factor (M2) in the laser composite microfabrication, a laser beam quality factor measurement device and a method for measuring the laser beam quality factor in the laser water jet composite processing. The device consists of a waterproofing seal box, a linear guide driven by a screw, a laser focusing lens bracket, a laser focusing lens, a column, a precise three axis motion platform, a water jet nozzle, a base, and a light spot analyzer. The method of implementing the device is to control the device to carry out the measurement of laser water jet combined machining. The invention improves the laser beam quality in measuring laser water jet composite micro machining, fills in the technical gap of the corresponding measuring device and method, and can realize the measurement of the laser beam with power density exceeding the range of the spot analyzer, and select the suitable processing conditions and optimize the processing conditions for the laser water jet composite micro machining. The processing parameters provide a theoretical basis.

【技术实现步骤摘要】
激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法
本专利技术涉及激光-水射流复合加工中的测量装置及方法，尤其是能测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量因子(M2)的，一种激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法。
技术介绍
文献《Aninvestigationofhybridlaser–waterjetablationofsiliconsubstrates》(InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2012年，56卷，39-49页)公开了一种激光-水射流复合微细加工技术，其可以实现硬脆材料的近无损伤微细加工。该技术使用激光束对材料进行加热，软化后的材料由水射流束冲蚀去除。文献《Ananalyticalmodelforthepredictionoftemperaturedistributionandevolutioninhybridlaser-waterjetmicro-machining》(PrecisionEngineering，2017年，47卷，33-45页)表明，在激光-水射流复合加工过程中，激光束与水射流束发生复杂的交互作用，水对激光的干涉导致其光束质量下降。激光光束质量对于加工过程工件材料温度场分布及其加工质量起到关键作用，因此，测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量对于选择合适的加工工艺条件、优化加工工艺参数有重要的指导意义。激光光束质量通常由激光光束质量因子(M2)表征。现有的测量装置只能测量传统激光干烧条件下的激光光束质量因子。由于激光-水射流复合微细加工环境中有水存在，不能用现有的测量装置测量激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子。目前尚没有可以测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量因子的测量装置及方法。无法满足测量激光-水射流复合微细加工中的激光光束质量因子的需求。这使得激光-水射流复合微细加工技术的最优加工工艺条件的选取无法快速、方便地实现，极大地限制了激光-水射流复合微细加工技术的生产效率。因此激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子的测量是亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高激光-水射流复合加工工艺中的加工质量，提供一种激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置及方法。本专利技术的激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置的技术方案为：由防水密封箱、丝杠驱动的直线导轨、激光聚焦镜头支架、激光聚焦镜头、立柱、精密三轴运动平台、水射流喷嘴、底座、光斑分析仪构成；所述的防水密封箱为一个方形箱体，固定安装在底座上；在防水密封箱顶部的壁上设置一个窗口，在其一个侧壁靠近顶面的位置设置一个进气口，在其相对应的箱体壁上的下部位置设置一个出气口；在窗口上覆盖一个平面透镜，并用防水密封胶密封粘合在窗口上；在出气口上由内向外依次安装过滤网和单向阀，过滤网的网眼尺寸小于湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒的直径，单向阀的流动方向为由防水密封箱内侧流向防水密封箱外侧；防水密封箱内安装光斑分析仪并放置湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒；所述的丝杠驱动的直线导轨包括两条直线导轨、丝杠、滑鞍、手轮、两个支撑板；两条直线导轨分别平行设置于丝杠两侧，直线导轨上标有高度刻度；滑鞍上有与两条直线导轨匹配的滑道，并安装与丝杠相匹配的丝母；滑鞍同时与丝杠和两条直线导轨配合安装在一起，两条直线导轨两端分别固定安装在支撑板上，丝杠两端通过轴承分别安装在支撑板上，安装在上支撑板的丝杠设置手轮轴颈，手轮轴颈穿过轴承通过键连接安装手轮；丝杠的螺纹升角小于其当量摩擦角；丝杠驱动的直线导轨和立柱分别垂直固定安装在在底座上；所述的激光聚焦镜头由激光聚焦镜头筒体、聚焦透镜、激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、第一衰减片、第二衰减片、第二垫圈、第三垫圈组成；激光聚焦镜头筒体为圆筒与圆锥筒的组合体，在构成组合体的圆锥筒部分的大头位置设置激光聚焦镜头进气口；在激光聚焦镜头筒体的圆筒部分，自下而上依次紧密安装激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、聚焦透镜、第三垫圈、第二衰减片、第二垫圈、第一衰减片；聚焦透镜中心轴线与激光聚焦镜头中心轴线重合，聚焦透镜的焦点位于激光聚焦镜头之外，激光聚焦镜头进气口位于激光聚焦镜头平面透镜下方；激光聚焦镜头支架包括与激光聚焦镜头筒体匹配的卡环、螺栓螺母副，激光聚焦镜头支架安装在丝杠驱动的直线导轨滑鞍上；激光聚焦镜头，通过激光聚焦镜头筒体安装在激光聚焦镜头支架的卡环内，用螺栓螺母副夹紧固定；所述的精密三轴运动平台由十字滑台、旋转平台、水射流喷嘴支架构成；十字滑台的底面上固定与立柱相匹配的卡环，十字滑台的工作面上安装与十字滑台匹配的旋转平台；十字滑台包括X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮、X轴锁紧旋钮、Y轴锁紧旋钮，旋转平台包括角度粗调手柄、角度微调旋钮、角度粗调锁紧旋钮、角度微调锁紧旋钮；水射流喷嘴支架安装在旋转平台的工作面上；精密三轴运动平台通过卡环安装固定在立柱上，十字滑台上互为直角的两条滑轨分别与水平面平行和垂直；水射流喷嘴倾斜安装在水射流喷嘴支架上，由锁紧螺母锁紧固定，水射流喷嘴出口指向防水密封箱顶部壁上的窗口，水射流喷嘴所在的铅垂面与十字滑台的两条滑轨组成的平面平行，激光聚焦镜头中心轴线位于水射流喷嘴所在铅垂面内；光斑分析仪顶面有一个能测量激光光斑直径的图像传感器，光斑分析仪固定安装在防水密封箱中，防水密封箱顶部壁上的窗口位于图像传感器正上方，激光聚焦镜头中心轴线与图像传感器中心轴线重合；聚焦透镜的焦距F、聚焦透镜的中心点到激光聚焦镜头最底端的距离L1、图像传感器到防水密封箱窗口平面透镜上表面的距离L2之间满足关系式F-(L1+L2)≥(2/3)F，激光聚焦镜头在竖直方向上的有效运动行程△H满足关系式△H≥2F-(L1+L2)。应用激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置，实施的激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量方法的步骤如下：(1)通过激光聚焦镜头进气口，向激光聚焦镜头内通入压缩空气，气压范围为0.1-0.3MPa；(2)通过防水密封箱进气口，向防水密封箱内通入干燥热空气，温度范围为38-42℃；(3)等待5–10分钟，使防水密封箱内充满干燥热空气；(4)操控激光聚焦镜头，使激光束竖直向下入射到激光聚焦镜头中，激光束光轴与聚焦透镜中心轴线重合；(5)在水射流喷嘴中通入水射流，水压范围为5–20MPa；(6)操控精密三轴运动平台，依次调节角度粗调手柄、锁紧角度粗调锁紧旋钮、调节角度微调旋钮、锁紧角度微调锁紧旋钮、调节Y轴调节旋钮、锁紧Y轴锁紧旋钮、调节X轴调节旋钮、锁紧X轴锁紧旋钮，设定水射流倾斜角度、靶距以及偏置距离，其中水射流倾斜角度为水射流束轴线与防水密封箱窗口平面透镜上表面之间的夹角、靶距为水射流喷嘴出口中心点到水射流束轴线与防水密封箱窗口平面透镜上表面的交点之间的距离、偏置距离为激光束光轴与防水密封箱窗口平面透镜上表面的交点到水射流束轴线与防水密封箱窗口平面透镜上表面的交点之间的距离；(7)转动丝杠驱动的直线导轨的手轮，调整激光聚焦镜头的高度，使用光斑分析仪测量确定激光束光斑直径最小时的激光聚焦镜头高度H0，记录此时的激光束光斑直径；(8)转动丝杠驱动的直线导轨的手轮，调整激光聚焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光‑水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置，其特征为由防水密封箱、丝杠驱动的直线导轨、激光聚焦镜头支架、激光聚焦镜头、立柱、精密三轴运动平台、水射流喷嘴、底座、光斑分析仪构成；所述的防水密封箱为一个方形箱体，固定安装在底座上；在防水密封箱顶部的壁上设置一个窗口，在其一个侧壁靠近顶面的位置设置一个进气口，在其相对应的箱体壁上的下部位置设置一个出气口；在窗口上覆盖一个平面透镜，并用防水密封胶密封粘合在窗口上；在出气口上由内向外依次安装过滤网和单向阀，过滤网的网眼尺寸小于湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒的直径，单向阀的流动方向为由防水密封箱内侧流向防水密封箱外侧；防水密封箱内安装光斑分析仪并放置湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒；所述的丝杠驱动的直线导轨包括两条直线导轨、丝杠、滑鞍、手轮、两个支撑板；两条直线导轨分别平行设置于丝杠两侧，直线导轨上标有高度刻度；滑鞍上有与两条直线导轨匹配的滑道，并安装与丝杠相匹配的丝母；滑鞍同时与丝杠和两条直线导轨配合安装在一起，两条直线导轨两端分别固定安装在支撑板上，丝杠两端通过轴承分别安装在支撑板上，安装在上支撑板的丝杠设置手轮轴颈，手轮轴颈穿过轴承通过键连接安装手轮；丝杠的螺纹升角小于其当量摩擦角；丝杠驱动的直线导轨和立柱分别垂直固定安装在在底座上；所述的激光聚焦镜头由激光聚焦镜头筒体、聚焦透镜、激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、第一衰减片、第二衰减片、第二垫圈、第三垫圈组成；激光聚焦镜头筒体为圆筒与圆锥筒的组合体，在构成组合体的圆锥筒部分的大头位置设置激光聚焦镜头进气口；在激光聚焦镜头筒体的圆筒部分，自下而上依次紧密安装激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、聚焦透镜、第三垫圈、第二衰减片、第二垫圈、第一衰减片；聚焦透镜中心轴线与激光聚焦镜头中心轴线重合，聚焦透镜的焦点位于激光聚焦镜头之外，激光聚焦镜头进气口位于激光聚焦镜头平面透镜下方；激光聚焦镜头支架包括与激光聚焦镜头筒体匹配的卡环、螺栓螺母副，激光聚焦镜头支架安装在丝杠驱动的直线导轨滑鞍上；激光聚焦镜头，通过激光聚焦镜头筒体安装在激光聚焦镜头支架的卡环内，用螺栓螺母副夹紧固定；所述的精密三轴运动平台由十字滑台、旋转平台、水射流喷嘴支架构成；十字滑台的底面上固定与立柱相匹配的卡环，十字滑台的工作面上安装与十字滑台匹配的旋转平台；十字滑台包括X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮、X轴锁紧旋钮、Y轴锁紧旋钮，旋转平台包括角度粗调手柄、角度微调旋钮、角度粗调锁紧旋钮、角度微调锁紧旋钮；水射流喷嘴支架安装在旋转平台的工作面上；精密三轴运动平台通过卡环安装固定在立柱上，十字滑台上互为直角的两条滑轨分别与水平面平行和垂直；水射流喷嘴倾斜安装在水射流喷嘴支架上，由锁紧螺母锁紧固定，水射流喷嘴出口指向防水密封箱顶部壁上的窗口，水射流喷嘴所在的铅垂面与十字滑台的两条滑轨组成的平面平行，激光聚焦镜头中心轴线位于水射流喷嘴所在铅垂面内；光斑分析仪顶面有一个能测量激光光斑直径的图像传感器，光斑分析仪固定安装在防水密封箱中，防水密封箱顶部壁上的窗口位于图像传感器正上方，激光聚焦镜头中心轴线与图像传感器中心轴线重合；聚焦透镜的焦距F、聚焦透镜的中心点到激光聚焦镜头最底端的距离L1、图像传感器到防水密封箱窗口平面透镜上表面的距离L2之间满足关系式F‑(L1+L2)≥(2/3)F，激光聚焦镜头在竖直方向上的有效运动行程△H满足关系式△H≥2F‑(L1+L2)。...

【技术特征摘要】
1.激光-水射流复合加工中的激光光束质量因子测量装置，其特征为由防水密封箱、丝杠驱动的直线导轨、激光聚焦镜头支架、激光聚焦镜头、立柱、精密三轴运动平台、水射流喷嘴、底座、光斑分析仪构成；所述的防水密封箱为一个方形箱体，固定安装在底座上；在防水密封箱顶部的壁上设置一个窗口，在其一个侧壁靠近顶面的位置设置一个进气口，在其相对应的箱体壁上的下部位置设置一个出气口；在窗口上覆盖一个平面透镜，并用防水密封胶密封粘合在窗口上；在出气口上由内向外依次安装过滤网和单向阀，过滤网的网眼尺寸小于湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒的直径，单向阀的流动方向为由防水密封箱内侧流向防水密封箱外侧；防水密封箱内安装光斑分析仪并放置湿度指示剂颗粒和干燥剂颗粒；所述的丝杠驱动的直线导轨包括两条直线导轨、丝杠、滑鞍、手轮、两个支撑板；两条直线导轨分别平行设置于丝杠两侧，直线导轨上标有高度刻度；滑鞍上有与两条直线导轨匹配的滑道，并安装与丝杠相匹配的丝母；滑鞍同时与丝杠和两条直线导轨配合安装在一起，两条直线导轨两端分别固定安装在支撑板上，丝杠两端通过轴承分别安装在支撑板上，安装在上支撑板的丝杠设置手轮轴颈，手轮轴颈穿过轴承通过键连接安装手轮；丝杠的螺纹升角小于其当量摩擦角；丝杠驱动的直线导轨和立柱分别垂直固定安装在在底座上；所述的激光聚焦镜头由激光聚焦镜头筒体、聚焦透镜、激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、第一衰减片、第二衰减片、第二垫圈、第三垫圈组成；激光聚焦镜头筒体为圆筒与圆锥筒的组合体，在构成组合体的圆锥筒部分的大头位置设置激光聚焦镜头进气口；在激光聚焦镜头筒体的圆筒部分，自下而上依次紧密安装激光聚焦镜头平面透镜、第一垫圈、聚焦透镜、第三垫圈、第二衰减片、第二垫圈、第一衰减片；聚焦透镜中心轴线与激光聚焦镜头中心轴线重合，聚焦透镜的焦点位于激光聚焦镜头之外，激光聚焦镜头进气口位于激光聚焦镜头平面透镜下方；激光聚焦镜头支架包括与激光聚焦镜头筒体匹配的卡环、螺栓螺母副，激光聚焦镜头支架安装在丝杠驱动的直线导轨滑鞍上；激光聚焦镜头，通过激光聚焦镜头筒体安装在激光聚焦镜头支架的卡环内，用螺栓螺母副夹紧固定；所述的精密三轴运动平台由十字滑台、旋转平台、水射流喷嘴支架构成；十字滑台的底面上固定与立柱相匹配的卡环，十字滑台的工作面上安装与十字滑台匹配的旋转平台；十字滑台包括X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮、X轴锁紧旋钮、Y轴锁紧旋钮，旋转平台包括角度粗调手柄、角度微调旋钮、角度粗调锁紧旋钮、角度微调锁紧旋钮；水射流喷嘴支架安装在旋转平台的工作面上；精密三轴运动平台通过卡环安装固定在立柱上，十字滑台上互为直角的两条滑轨分别与水平面平行和垂直；水射流喷嘴倾斜安装在水射流喷嘴支架上，由锁紧螺母锁紧固定，水射流喷嘴出口指向防水密封箱顶部壁上的窗口，水...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄传真，冯少川，朱洪涛，王军，姚鹏，刘含莲，邹斌，王良，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37