CN101107092A - 产生用于材料加工的液体射流的方法和装置以及用于一种这样的装置的液体喷嘴 - Google Patents

产生用于材料加工的液体射流的方法和装置以及用于一种这样的装置的液体喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于产生液体射流(5)的一种方法和一种装置，所述液体射流适合于以波导形式导引耦合在该液体射流中的激光束以对工件(3)进行加工。所述装置具有用于产生所述液体射流(5)的液体喷嘴(1)和远离该液体喷嘴(1)布置的排气喷嘴(23)，该排气喷嘴(23)形成在外侧将所述液体射流(5)包围的气流(35)。在所述液体喷嘴(1)和排气喷嘴(23)之间形成积气室。所述液体射流(5)从所述排气喷嘴(23)中穿过或者说射过。所述液体射流具有优选为60微米或者更小的直径，并且所述气流(35)具有1－2毫米的直径。

Description

产生用于材料加工的液体射流的方法和装置以及用于一种这样的装置的液体喷嘴
技术领域
本发明涉及一种用于产生液体射流的方法，所述液体射流适合于以波导形式导引耦合在该液体射流中的激光束以便对工件进行加工，其中用液体喷嘴产生所述液体射流，并且其中所述液体射流在外侧被气流所包围。此外，本发明还涉及一种用于执行所述方法的装置以及一种用于一种这样的方法的液体喷嘴。
背景技术
在过去数年里在许多领域已开始通过激光束进行材料加工。其中一种在技术上进一步开发出来的方案就是用水射流导引的激光进行切割(EP 0 762 947 B1，WO 99/56907)。所述激光束被耦合到细微的水射流中，用于由此导向材料加工点。因为所述水射流以光学波导的形式导引激光束，所以射束能量在一个较大的长度上集中在由所述水射流预先给定的横截面上。所述水射流的相干长度越大，也就是说所述水射流分解成小水滴的时间越迟，那么所述装置的工作间距的可变性就越大。
在JP 2000-334590中，同样对一种用于水射流导引的激光加工的装置进行了说明。在此提出，用气体射流(比如氮气、氩气、氧气或空气)包围所述水射流，方法是：所述水射流喷嘴被一个用于所述气体的环形喷嘴所包围。
另一种广泛使用的替代所述激光加工的方案是水射流切割。在此，用非常细小的直径明显低于1毫米的喷嘴产生水射流，利用这种水射流的动能就可以对工件进行加工。在此，由DE 101 13 475 A1已知，在具有受控制的气氛的工作室中使用水射流，以此可以提高所述水射流的相干长度。所述工作室比如设有负压或者加载一种扫气气体，该扫气气体的密度小于空气的密度(尤其氢气、氦气或甲烷)。该扫气气体从布置在所述水射流喷嘴后面的小室大面积地涌到所述工件上。
而在US-A 4,047,580中所说明的工艺则基于完全不同的构思。该专利文献涉及一种用于用大的高速水射流对地层进行钻挖、穿透或粉碎的方法。为了使所述水射流也可以在液体中(比如在水下面)穿透较大的距离，用气体射流将水射流包围，该气体射流具有至少一半的声速。为产生射流使用同心的双喷嘴。所述水射流来自圆形的内喷嘴，而所述气体射流则来自环形的外喷嘴。所述气体射流在一定程度上在有水奔流的工作区域中提供了一个自由空间，使得所述工作水射流不会在水容积中变成涡流而是可以在“水下气体通道”中传输。
迄今公开的用于延长水射流的相干长度的方法要么不适用于水射流导引的激光工艺，要么也就是在使用细小的液体射流时没有带来任何实用的结果。
发明内容
本发明的任务是提供一种属于开头所述技术领域的方法，该方法即使在使用非常细小的液体射流的情况下也能够使所述液体射流的射流长度具有足够大的、尤其与现有技术相比得到改进的相干性。此外，本发明的任务是说明一种用于实施该方法的装置。
按照本发明，所述解决方案在于，远离所述液体喷嘴布置的、形成所述气流的排气喷嘴从所述液体射流中穿过。所述液体射流不碰到该排气喷嘴，而是在自由飞行中从该排气喷嘴中射过。
液体喷嘴和排气喷嘴因而在z-轴(射流轴线)上不是处于相同的位置上(就象在开头所提到的JP 2000-334590中一样)，而是在z-方向上彼此错位。首先，所述液体喷嘴形成(优选非常细小的)液体射流并且而后所述排气喷嘴形成所述气流。这种布置方式可以根据流动技术的要求理想地构造所述排气喷嘴，以产生良好的气体射流。与所述按JP 2000-334590的“集成式”装置所不同的是，不必围绕着液体喷嘴来设计排气口(并且因此不必考虑到液体喷嘴的情况)。相对于所述“集成式”装置的另一项优点在于，所述液体喷嘴可以构造为可以更换的。这就是说，所述(在技术上困难的并且因此容易受损的)液体喷嘴可以替换，而不必同时替换所述排气喷嘴。
所述按本发明的排气喷嘴在典型的情况下由一个横截面为圆形的通路构成。水射流基本上从该通路的中心处射出。所述气体射流紧靠着所述液体射流形成。因此，在所述中心的液体射流和所述气体射流的出口或者说气体射流产生地点之间不存在任何间壁，这就象比如在开头所引用的JP 2000-334590中一样。因此可以将气流中(尤其在所述液体射流和气流之间)的不受欢迎的涡流降低到最低限度。
在产生射流的喷嘴1后面，每股液体射流就象在图1中所示出的一样具有一个稳定射流长度lS。具有长度l的区域紧接在这个稳定(相干)区域上，在这具有长度l的区域中所述射流外层开始收缩。这个“收缩区域”称为过渡区域。在该过渡区域之后，射流分解成单个的液滴，这些液滴在下落长度lP上变为稍微削平的近似于球形的液滴。所述稳定射流长度lS在射流自由流出时比在射流冲击到工件表面上进行材料加工时长。
如果用“磨蚀性”高压-液体射流进行材料加工，那么还可以在所述过渡区域中必要时也用一种分解式的液体射流进行工作。但如果将所述液体射流用作射束导体，在该射束导体中比如耦合一种激光束的射束，用于就象比如在WO 95/32834和WO 99/56907中所描述的一样得到“冷切割”或者说“冷的”材料剥蚀，那么所述耦合在液体射流中的射束开始在过渡区域中在侧面从液体射流中流出。这种早已流出的射流对材料加工来说已经失去。
在进行传统的激光加工时，激光束聚焦于有待加工的工件表面上。在进行这种激光加工时，焦点必须在深度方面(也就是说在z-轴方向上)跟踪一个表面轮廓。与此相反，在使用所述耦合到液体射流中的激光束时，如果轮廓差别小于所述稳定射流长度lS(减去喷嘴尺寸)，就省去对这里的喷嘴进行的这种深度方面的调整。因此，为了用一种耦合在液体射流中的激光束进行理想的材料加工，应该实现尽可能大的稳定液体射流长度。
为了实现具有尽可能长的稳定射流长度lS的液体射流，这种液体射流用作用于激光束的射束导体，与现有技术相反，首先产生具有已耦合的激光束的液体射流，并且而后使这种液体射流穿过所述排气喷嘴。所述排气喷嘴形成将所述液体射流包围的气体射流。在典型情况下(但并非强制性地)所述液体射流的射流轴线(除公差以外)与所述排气喷嘴的喷嘴轴线重合。在所述产生液体射流的喷嘴和所述排气喷嘴之间，在一定程度上形成一个用于所述气体的积气室。这里喷嘴具有约束从第一区域(这里是指从处于液体射流喷嘴和排气喷嘴之间的区域)穿过所述喷嘴(这里是指所述排气喷嘴)流进第二区域(这里是在排气喷嘴和材料表面之间的区域)中的流体的性质。
在用在液体射流中导引的激光束进行材料加工时(比如Nd:YAG-激光器的具有1.06微米的波长的射束)，所述液体射流典型地具有处于20微米到200微米之间范围内的直径。所述排气喷嘴则具有典型地处于0.5毫米到2毫米之间的直径。作为标准值应该适用这一点：所述排气喷嘴的喷嘴通道的直径应该比如十倍到二十倍于所述液体喷嘴的通道的直径。不过，这不是本发明的强制性的尺寸规定。优选如此安排用于所述气体射流轴线及液体射流轴线在所述排气喷嘴区域中的一致性方面的公差，使得所述液体射流应该以±200微米的公差从所述排气喷嘴的中间穿过。
与现有技术相反实现了长而稳定的射流长度，如果就象上面所解释的一样首先形成具有已耦合的激光束的液体射流，并且只有在经过一个预先确定的行程之后(也就是说关于所述液体喷嘴在下游)才输送所述进气。按现有技术，总是就在形成所述液体射流的附近输送所述进气，其中选择使所述液体射流的液体的流出方向以及所述进气的流出方向彼此平行。
本发明的出发点是，必须如此进行气体加载，从而在气体流入的位置上尽可能不要出现对液体射流的干扰。因为对液体射流的干扰与通过进气的性能可以实现的射流长度的延长相比，对射流长度的缩短所产生的影响要大得多。
优选将进气如此加入外壳的空腔中，使得加入的气流不会直接碰到所述液体射流上，而是整个空腔都可充满这种进气(也就是说气体积聚)并且该进气包围所述液体射流地离开所述外壳。
优选所述进气加入到一个外壳内室中。而后在该外壳上与构造为气体喷嘴的排气口对置地布置所述液体喷嘴。就象下面还要详细解释的一样，而后使所述由液体喷嘴产生的液体射流立即被所述进气所包围。
不是每种气体都同样好地适合作为进气。所使用的进气的气体运动粘度应该小于大气气体(＝在加工位置上的环境气体)的气体运动粘度。只要不在保护气体下面作业，那么空气就是大气气体。气体运动粘度是指相对于所述气体的比重的粘度。空气的气体运动粘度在温度为20℃以及压力为1个大气压时为151.1·10-3cm2/sec。
由此，按照美国物理研究所手册(American Institute of PhysicsHandbook)第二版第2-229页，例如可以考虑使用以下气体，其中所注明的数值为10-3cm2/sec这个量纲：
氢(H2)¤1.059
氦(He)1.179
乙炔(C2H2)¤80.6
氨(NH3)*¤+138
氩(Ar)134.3
溴气*(Br2)22.50
异丁烷(C4H10)¤31.0
n-丁烷(CrH10)¤35.1
氯(Cl2)*+150.6
三氯甲烷(CHCl3)*+20.16
氰(C2N2)+46.35
乙烷(C2H6)¤72.9
乙烯(C2H4)¤85.84·10-3cm2/sec
溴化氢*+(HBr)54.79
氯化氢气体(HCl)  *+93.99
碘化氢*(HJ)34.42
二氢化碳(CO2)80.9
氪(Kr)72.44
甲基溴(CH3Br)*33.64
甲基氯¤+(CH3Cl)50.97
一氧化二氮*¤+(N2O)150.9
丙烷(C3H8)¤43.7
二氧化硫气体(SO2)*+46.94
氙(Xe)42.69
只要作为液体射流使用水射流，带*标志的气体都可以在水射流中溶解。因此，按使用情况应该十分小心。在此，带有¤标志的气体可以燃烧，而带有+标志的气体则有毒或者说有害健康；同样在使用这样的气体时也谨慎为妙。无上述标志的气体比如氦、氩、二氯化碳、氪和氙都可以在没有预防措施的情况下加以使用。
优选沿离开所述液体射流的直线流动方向与所述液体射流的轴线保持径向间距地输入所述气体。由此可以实现这一点，即尽可能在进气口的位置上及进气口的周围不会因所述气体加载而影响到所述液体射流。如此设计这个第一气体流动方向，使得流动以切线方式接触围绕着所述液体射流布置在中心的圆。而后，这个第一流动方向转向成第二流动方向，该第二流动方向围绕着所述液体射流旋转。现在，可以在一个唯一的位置上进行气体供给。但优选选择多个彼此保持相同间距的供给位置，并且使所述第一气体流动方向处于相同的角度下(“切线的”方向)，由此减少因输入的气体的在很大程度上均匀的流动而对所述液体射流产生的反作用。相应的两个相邻的供给位置与所述射流轴线具有相同的中心角。
如果所述液体射流象通常一样垂直流动，那么可以将所述第一气体入流方向设置为水平方向。但所述第一气体入流方向也可以指向上方或者指向下方。如果指向上方，则选择一个小于30°的角度，并且如果指向下方则选择一个小于70°的角度。
就象上面所解释的一样，所述第一气体流动方向应该与一个围绕着所述液体射流也就是说围绕着该液体射流的射流轴线的中心圆相切。如果该圆处于被所述射流轴线垂直穿过的平面中，那么所述第一气体流动方向可以处于这个平面中或者相对于该平面指向上方(+30°以下)或者指向下方(-70°)。
代替“切线式”气体供给，也可以选择一种径向的气体供给。气体供给在方向上也可以为漫射的。在进行定向的(径向的也就是说对准所述液体射流的轴线，或者“切线的”也就是说斜向于所述液体射流的轴线)气体供给方向的情况下为所述气体施加一个特定的方向(比如通过具有合适结构的气体供给通道)。与此相反，在进行漫射的气体供给时，则没有预先规定任何特定的方向并且至少没有预先规定任何统一的方向。
随后，所述围绕着液体射流旋转的第二气体流动方向优选转向成一种相当于所述液体射流的流动方向的第三气体流动方向。从近乎于静止的第一进气阶段转向为一种具有在所述液体射流的流动方向上加速的气体流动的旋转的气体流动，其中也还可以提高所述旋转速度。一种所述的“旋转式”入口，其中这种旋转运动会相当快地停止，就象下面所解释的一样会得到大而稳定的液体射流长度lS。
所述液体射流的气体包层会引起大而稳定的液体射流长度lS，为实现该气体包层而使用配有环绕的壁体的外壳。在该外壳中布置了一个液体喷嘴和至少一个进气口。此外，还有一个排气喷嘴，所述液体射流可以穿引通过该排气喷嘴，使得所述液体射流的第一轴线与所述从排气喷嘴中流出的气体的第二轴线基本上(也就是除上面提及的公差以外)重合。
优选不是象现有技术一样在所述液体喷嘴的位置上设置进气口，而是将其在流动技术上布置在所述液体喷嘴后面。但如果所述积气室构造得足够大，那么所述进气口也可以安置在其它的位置上(比如紧靠在所述液体喷嘴的后面)。
所述外壳优选构造为垂直直立(也就是说平行于所述液体射流轴线定向的)具有彼此对置的锥尖的双锥体。而后在其中一个上锥尖中布置所述液体喷嘴，并且在所述对置的下锥尖中布置所述排气喷嘴。优选将所述进气口设置在所述双锥体的最大直径的区域中。而后，所述漏斗状向下会合的壁体产生在指向下方的流动方向上增加的流动速度。穿过所述“切线式”进气口的初始气体流动旋转相当块地停止下来，因为所述水射流因摩擦而带动所述气体。这种类型的进气口仅仅用于尽可能均匀地对所述液体射流进行气体加载并且避免对水射流的干扰。
在液体喷嘴和排气喷嘴之间形成的中间空隙(也就是“积气室”)也可以为其它结构。它比如可以在其整个长度上具有基本上恒定的横截面(“圆柱体”)，或者在z-方向上非对称(锥形或者说金字塔形)。它也可以为立方体。其最大的垂直于所述液体射流的轴线的直径尤其为所述液体射流直径的10倍到100倍，优选比如为20倍。
从以下详细说明以及全部权利要求中产生本发明的其它优选的实施方式以及特征组合。
附图说明
用于解释实施例的附图示出：
图1是按本发明的装置的一种实施方案的示意图，
图2是在图1中所示装置的液体喷嘴的喷嘴通道的放大图的横截面，以及
图3是在图1中所示装置的沿该图中的线条III-III的横截面，
图4是在空气中的液体射流在自由流出时的稳定的射流长度lS(曲线-·-·和---)以及在碰到一个表面时的稳定的射流长度lS(曲线-)，
图5是与图4类似的示意图，但其中按本发明对所述液体射流加载了氦，并且
图6是具有径向气体供给机构的装置的横截面。
原则上，在附图中相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出的按本发明的用于使利用液体喷嘴1产生的液体射流5稳定的装置的实施方案具有一个构造为所谓的喷嘴的外壳7。所述液体喷嘴1构造为所谓的风眼砖。在这里没有对用于液体射流5的液体9的供给、这里是水的供给以及将激光束10耦合在所述液体射流5中的过程进行详细探讨。所述内容在WO 95/32834以及WO 99/56907中得到详细说明，这两个专利文献在此应该被视为包括在本资料之中(英语“inclusion by reference”)。在这种情况下足以认为，存在(未示出的)激光器，合适的镜头可以将由该激光器产生的激光束耦合在所述水射流中(比如就象在开头所提到的公开文献中所描述的一样)。
所述构造为风眼砖的液体喷嘴1用于产生所述液体射流5，图2示出该液体喷嘴1的喷嘴通道11的放大图的横截面。所述液体喷嘴1具有一个光滑的表面13，并且优选由金刚石或另外一种坚硬的材料制成。它具有0.5-2毫米的厚度以及比如3毫米的直径，因此具有小圆柱体的形状。在此，孔棱边15用作进入所述喷嘴通道11中的入口，将这个孔棱边15的半径rK选择得尽可能小，以便尽可能接近理论上的“尖棱入口”。所述半径rK应该小于10微米，并且在这里小于2微米。通过这个尖棱入口，产生已经具有大而稳定的射流长度lS的液体射流。所述喷嘴通道11的典型直径在20到200微米之间。
所述喷嘴通道11的连接在所述尖棱边的入口15上的圆柱形部分保持尽可能短，并且在数量级上小于所述喷嘴通道11的直径d的五倍；这里小于该直径d的三倍。通过一种所述的设计方案，所述液体射流5的流动早在所述孔棱边15上就与所述喷嘴通道内壁17脱开。太长的喷嘴通道11会导致气体在喷嘴通道内壁17和液体射流5之间产生涡流。作用于所述液体射流的最小的干扰也会导致“波分解(Zerwellen)”(也就是说所述液体射流分解或者说衰减成在z-方向上成波形的射流区lü)，并且由此导致可使用的射流长度缩短(在使用耦合的激光束时)。圆锥形壁体区域19连接在所述喷嘴通道壁体的圆柱形部分17上。这个圆锥形部分19应该减小液体射流与可能出现的气体涡流的可能出现的相互影响。这个圆锥形部分19作为斜面应该与所述喷嘴通道11的纵轴线具有一个在90°和150°之间的角度，尤其在130°和140°之间的角度。在这里，所述斜面19具有135°的角度，而该角度则具有制造公差。
理想的喷嘴1由此是在具有壁厚e＝0的壁体中的孔。但一种这样的喷嘴不能经受住几个大气压的水压。由此必须在喷嘴1的足够强度和稳定的液体射流长度lS之间找到一种折衷。因此提出使用上面所提到的斜面19。
所述外壳7的连接在风眼砖1上的内壁20扩展到一个最大的圆形的内直径21，并且而后作为内壁部分24又按圆锥形朝排气喷嘴23逐渐变细。所述外壳7构造为双锥体，其中在所述其中一个锥尖中布置了所述液体喷嘴1(风眼砖)，并且相对置地、也就是在其下面布置了所述排气喷嘴23。
在最大的内直径21的位置处，与所述液体射流5或者说与其射流轴线具有相同的径向间距rs地布置至少一个用于进气的进气口。在这里所示出的实施例中有四个进气口25a到25d。相应的进气口构造为圆柱形管子26a到26d。每根这样的管子26a到26d与内壁27相切地汇入所述最大的内直径21的区域中(也就是按径向间距rS)。由此，来自每根这样的管子26a到26d的气流在第一流动部分29中“以切线方式”(因此在该实施例中不是径向地)流向所述内壁27，并且在冲击到所述内壁27时转向成环绕的也就是说第二流动部分31，该第二流动部分31具有旋转的流动分量。
如此布置所述排气喷嘴23，使得其在中间被导引激光束的液体射流5所穿过。因为仅仅通过这个排气喷嘴23才能实现排气，所以所述进气在第三流动部分33中的流动由于与所述液体射流5的摩擦而在提高所述指向下方的流动分量的情况下向下朝着所述排气喷嘴23偏转。所述从外壳7中穿过所述排气喷嘴23流出的液体射流5现在用处于所述液体射流外侧周围的进气气流35在很大程度上与环境空气36相隔离。在所述四个进气喷嘴25a到25d的区域中的初始的流动旋转不断通过所述指向下方的流动分量叠加，并且还在所述外壳7的内部在很大程度上被该流动分量所主导。
就象在图2中所示出的一样，在流动方向上在所述孔棱边15后面，在所述液体射流5的外层39和所述圆柱形喷嘴通道内壁17之间形成一个中间空隙37。按照喷水泵的效应，就象箭头41所表示的一样，所述进气被吸入到所述中间空隙37中，并且与液体射流5一起被带出。因为只有少量进气进入所述中间空隙37中，所以这里在进气气氛中存在负压。
总之，为产生长而稳定的液体射流长度lS可以作如下解释，(按照刚刚解释过的实施例)
-紧接在形成液体射流5之后，该液体射流5处于负压区域中，但处于进气气氛中，
-所述进气以与所述液体射流尽可能大的间距在一个不是指向该液体射流的流动方向上输进所述“积气室”中，
-可以为所述进气施加围绕着所述液体射流旋转的流动分量以及沿着所述液体射流的流动方向的流动分量，其中两个流动分量加速导向所述液体射流外层，
-所述液体射流5只有在进行气体加载之后才通过排气喷嘴23的中心流到“室外”，
-将所述液体喷嘴通道构造成相对于其直径尽可能短，
-所述液体喷嘴通道入口尽可能按照尖棱结构进行成形。
每个这样的特征都有助于延长所述射流长度lS的稳定范围。但优选将主要注意力放在以下方面，即
-使所述液体射流从远离所述液体喷嘴的、形成进气射流的排气喷嘴中穿过，其中所述液体射流的轴线以及所形成的气体射流的轴线基本上(也就是说除了公差以外)重合，
-所述进气只有在沿流动方向离开所述液体喷嘴预先规定的行程之后才在下游进行供给。
为对上述实施方式进行试验性说明，在图4中所示出的图表示出用风眼砖1产生的水射流5的稳定的射流长度lS，其中所述风眼砖1的喷嘴通道横截面为30微米。在纵坐标上给出所述稳定的射流长度lS并且在横坐标上给出液体的就在进入所述喷嘴通道11之前的液体压力。以点划线画出的、带有测量点“■”的测量曲线相应表明最大稳定射流长度lS，并且所述以虚线画出的、具有测量点“◆”的测量曲线则相应表明最小稳定射流长度lS。(所述射流长度随着时间变化在所注明的最大和最小射流长度之间波动。)在用点划线画出的以及在用虚线画出的测量曲线的情况下，所述液体射流自由流出；也就是说现在不再显示出射流的液体只有在分解性的射流长度lP中在几个厘米的间距内才碰到一个表面上。所述下面的以实线画出的带有测量点“▲”的第三测量曲线则表示冲击到表面上的液体射流的稳定的射流长度。
如果现在按照上面描述的方法用上述装置给所述液体射流比如加载氦气(其气体运动粘度小于空气)，那就象在图5中所显示的一样，所述最大和最小稳定射流长度lS(用点划线画出的和用虚线画出的曲线)就得到增加，增加幅度在5毫米的范围内，也就是15-25％，但对所述冲击的并且由此没有自由结束的液体射流的稳定射流长度lS来说则得到一种突然的增加。
可以清楚地看出，所述液体射流在没有按本发明的气体射流包围的情况下只有在压力值较高(大约自300bar起)的情况下才形成3-5毫米的射流长度(图4)。在压力值低于200bar时，所述较为细小的30微米的射流就会遭受强烈的、因冲击表面引起的干扰。这表明，所述液体射流在没有按本发明加载气体的情况下根本不可用作波导以用于通过激光束对材料进行加工。就象图5表明的一样，只有所述按本发明的气流才赋予射流以所需要的稳定性，尽管在所述按本发明的被气体射流包围的液体射流的情况下在其冲击到表面上的时候也发现所述稳定的射流长度lS的降低现象。但尽管如此还是可以在400bar或更高压力下实现25毫米的射流长度。用稍许大于100bar的压力，所述液体射流就得到10毫米的稳定射流长度。
液体射流5从所述排气喷嘴23的中间穿流而过，该排气喷嘴23就象在图1中所示出的一样直接布置在所述锥形会合的内壁24的端部上，但它也还可以位于小圆柱形壁体部分的前面。
就象在图1中所示出的一样，所述进气口可以在被所述液体射流5垂直穿过的平面中实现。但是所述进气管26a到26d也可以向上指向所述液体喷嘴(风眼砖)1或者可以向下指向所述排气喷嘴23。向上角度不应大于30°并且向下角度不应大于70°。
所述进气口的数目不是十分重要；但应该注意，以与所述液体射流5的外层尽可能大的间距设置相同形状的进气口。
上述“切线式进气口”已得到了证明。但也可以使用其它的进气角度。只是应该注意，不得直接碰到并干扰所述液体射流5。
图6示出一种具有进气的径向流入结构的实施方式的横截面。以下“上面”和“下面”这两个概念(与在图6中的示意图相应)分别用于代表“朝向入口侧”或者说“朝向出口侧”。管座51在其上侧面上具有一个环形连接件53，该连接件53形成一种用于(未示出的)镜头的漏斗，该镜头输送激光束并且聚焦在所述液体喷嘴71的喷嘴通道中。在所述管座51中优选设置多个倾斜向外和向下延伸的排出通道55，这些排出通道55排出比如在出现干扰的情况下可能积聚在连接件53中的液体。
所述管座51具有一个大的连贯的圆柱形空腔，在该空腔中以栓塞的方式从下面(按照在图6中的示意图)插入一个圆柱形的功能件57。所述管座51环形包围所述功能件57，并且将其保持在同轴布置状态中。在上面(也就是说朝向所述连接件53)，所述功能件57具有一个从上往下按锥形逐渐变细的开口59。在所述圆锥形开口的下端部上构造了一个凸肩，窗口元件61在自身上面的侧面上抵靠着所述凸肩。在所述窗口元件61的底面上有一个闭锁件65。在所述窗口元件61和闭锁件65之间设置了一个薄的比如盘形的中间空隙63，该中间空隙63用作液体输入管路。在所述功能件57的轴向方向上看，所述中间空隙63具有比如0.1到0.4毫米的厚度。这个中间空隙的侧面伸长(直径)可以处于几个毫米(比如5-10毫米)的范围内。
所述液体(比如水)通过构造在所述管座51的内侧上的环形通道69并且随后通过所述功能件57的一条(或者说多条)径向管路67以所需要的压力(比如400bar)输进所述中间空隙63中。
所述闭锁件65以栓塞的方式从下面插入所述功能件57的圆柱形的内室中。所述窗口元件61由此在取出所述闭锁件65时可以进行更换。
所述闭锁件65在其上面的朝向所述中间空隙63的侧面上具有一个凹穴，液体喷嘴71(所谓的风眼砖)就装入该凹穴中。所述风眼砖具有中心的轴向通道，该通道形成细小的液体射流，而该液体射流则以光学波导形式导引着激光束。该通道的直径相当于所期望的液体射流的直径，比如30到60微米。所述风眼砖本身的直径为2-4毫米，并且厚度比如为0.5到2毫米。
积气室紧跟在所述液体喷嘴71后，该积气室在该实施例中由一个上面的分室73和一个下面的分室75所构成。所述上面的分室73从上面向下面逐渐加宽。它可以持续地或者逐级的按锥形方式加宽。在该实施例中，它由一个第一圆柱区段、而后一个第一锥形区段73a，而后一个跟在后面的第二圆柱区段并且最后一个第二锥形区段73b所组成。它通过这种方式从上往下加宽直径的三到五倍。其目的是，使所述在闭锁件65的下端部上输入的进气尽可能在不对液体射流产生干扰的情况下向上循环到所述喷嘴通道的出口处。
在所述闭锁件65的底面上安装了一个气体喷嘴件77。该气体喷嘴件由功能件65加以固定(固定方法比如是将其旋入所述功能件65的相应的螺纹中)。所述气体喷嘴件77具有一个空腔，该空腔则形成所述下面的分室75，这个下面的分室75由上而下按锥形方式逐渐变细，并且通向所述气体喷嘴通道79。该气体喷嘴通道79的直径比如为1-2毫米。
在所述两个分室73和75对接并且形成最大直径的地方是所述进气区83。这里通过星形的或者说径向延伸的进气通道81a、81b(比如设置了六条这样的进气通道)来输入所述进气。这就是那个与所述液体射流存在最大(径向)间距的位置，所述液体射流在所述闭锁件65的轴线上流动。所述进气通道81a、81b比如在所述气体喷嘴件77的上侧面上构造为凹处。通过一个环形室85向所述进气通道81a、81b进行供给，该环形室85构造在闭锁件65和功能件57之间。这里没有详细示出向所述环形室85进行外部供气的情况。
所述功能件57在下面的端部上具有一个法兰87，该法兰87可以用止动环89相对于所述管座51的下端面加以固定。
本发明当然不局限于所示出的实施例。在设计上划分为不同的元件(管座、功能件、闭锁件等)就可以拆卸该模块，用于比如替换所述风眼砖或窗口件。因为必须用高压输送液体(比如水)，所以有必要在各个零件之间合适的位置上使用密封件。(在图6中已画出这些雾封件，但未作详细说明)。比如可以在其它位置上对该模块进行划分。该模块不一定可从下面进行拆卸。所述积气室也可以-代替锥形加宽和变细的结构-是具有基本上恒定的横截面的圆柱形的。所述进气比如在这样的圆柱形积气室的上端部上进行输入，更确切地说完全可以在轴向方向上进行输入(代替在径向方向上的输入)。可以通过多条优选与所述积气室的轴线保持大间距(也就是说与液体射流保持大的间距)的通道进行轴向输入。
所述气体喷嘴通道79形成所述积气室的收缩的排气口。它可以按需要具有一种特定的空气动力学形状，用于形成所述气流。优选产生尽可能细小的(直径很小的)气体射流。利用处于0.5-2毫米的范围内排气喷嘴就可以产生具有相应直径的气流。(在这种情况下显而易见，随着传输距离的不断增加，气流的直径会改变，比如因为气体会在外边缘上失去或者说受到制动)。细小的气流也具有这样的优点，即可以将所需要的气体量保持在很小的限度上。但绝不排除用具有更大直径(比如5毫米)的气流进行作业。
总之可以发现，本发明能够用非常细小的液体射流进行作业，并且因此能够执行非常细薄的切割或者说精细的表面加工。

Claims (17)

1.用于产生液体射流(5)的方法，所述液体射流适用于以波导形式导引耦合在该液体射流中的激光束(10)以对工件(3)进行加工，其中用液体喷嘴(1)产生所述液体射流(5)并且其中所述液体射流(5)在外侧被气流(35)所包围，其特征在于，所述液体射流(5)从远离所述液体喷嘴(1)布置的、形成所述气流(35)的排气喷嘴(23、79)中穿过。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，产生具有200微米或者更小的直径的、尤其60微米的或更小的直径的液体射流(5)，并且所述气流(35)具有0.5-2毫米的直径。
3.按权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，为所述气流使用具有小于包围的大气气体的气体运动粘度的气体运动粘度的气体。
4.按权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，所述进气在不碰到所述液体射流的情况下在第一流动区域中流入，并且在连接在该第一流动区域上的第二流动区域中围绕着所述液体射流(5)流动地转向，其中从所述第一流动区域到第二流动区域的过渡区与所述液体射流保持预先规定的径向间距，并且优选在多个优选与所述液体轴线具有相同的中心角的位置上输入所述进气以产生所述第一流动区域。
5.按权利要求5所述的方法，其特征在于，为所述进气在第三流动区域中施加朝向所述排气喷嘴(23)的流动方向，其中优选如此进行施加，从而在所述第三流动区域中产生在所述液体射流(5)的流出方向上加速的进气气流。
6.用于产生液体射流(5)的装置，所述液体射流适用于以波导形式导引耦合在该液体射流中的激光束(10)以对工件(3)进行加工，该装置具有用于产生所述液体射流(5)的液体喷嘴(1)和用于在外侧用气流(35)将所述液体射流(5)包围的机构，其特征在于，所述用于在外侧用气流(35)将所述液体射流(5)包围的机构包括远离所述液体喷嘴(1)布置的、形成所述气流(35)的排气喷嘴(23、79)，所述液体射流(5)可以从所述排气喷嘴(23、79)中穿过。
7.按权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述液体喷嘴(1、71)和排气喷嘴(23、79)之间设置了积气室(73、75)。
8.按权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述液体喷嘴(1、71)形成圆形通道，所述液体射流(5)可以与气流(35)一起从该通道中流过。
9.按权利要求6到8中任一项所述的装置，其特征在于，配属于所述液体喷嘴(1、71)的射流轴线和配属于所述排气喷嘴(35)的轴线基本上重合。
10.按权利要求6到9中任一项所述的装置，其特征在于，所述液体喷嘴具有处于20微米到200微米之间的范围内的直径，并且所述排气喷嘴具有处于0.5毫米到2毫米之间的范围内的直径。
11.按权利要求6到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述排气喷嘴具有基本上十倍到二十倍于液体喷嘴(1)的内直径的内直径。
12.尤其按权利要求6所述的装置(7)，该装置(7)用于对用液体喷嘴(1)产生的作为射束导体的液体射流(5)的相干性进行优化，其中所述液体射流(5)用于对工件(3)进行加工，其特征在于外壳(7)，该外壳(7)具有环绕的、容纳着所述液体喷嘴(1)的壁体(20、24)以及至少一个用于所述进气的进气口(25a-d)，其中所述进气口在流动方向上后置于所述液体喷嘴(1)地布置。
13.按权利要求12所述的装置(7)，其特征在于，所述至少一个进气口(25a-d)确定了所述进气流入外壳(7)中的流入方向，所述壁体在所述至少一个进气口(25a-d)的区域中具有圆形横截面，并且所述流入方向优选以切线方式在不直接影响到所述液体射流的情况下冲向该壁体。
14.按权利要求12或13中任一项所述的装置(7)，其特征在于，所述外壳(7)构造为双锥体，其中在其中一个锥尖中布置了所述液体喷嘴(1)，并且另一个锥尖具有所述排气喷嘴(23)，并且所述至少一个进气口(25a-d)优选紧邻所述双锥体的最大直径布置。
15.液体喷嘴(1)，该液体喷嘴(1)用于按权利要求6到14中任一项所述的装置(7)并且具有产生液体射流(5)的喷嘴通道(11)，其特征在于从在喷嘴入口处的喷嘴表面(13)到所述喷嘴通道(11)中的尖棱形过渡区(15)，其中所述尖棱形过渡区(15)具有小于10微米的、优选小于2微米的半径。
16.按权利要求15所述的液体喷嘴(1)，其特征在于，所述喷嘴通道(11)的长度(e)小于所述喷嘴通道的直径(d)的五倍、优选三倍。
17.按权利要求15或16所述的液体喷嘴(1)，其特征在于，选择所述喷嘴通道(11)的长度(e)以及由此选择所述液体喷嘴(1)的厚度，使得所述喷嘴(1)刚好能经受作用于其上面的液体入口压力，其中为增加机械稳定性从在所述喷嘴通道出口处的圆柱形喷嘴通道内壁(17)出发构造所述喷嘴底面的锥形向外延伸的斜面(19)，并且所述斜面(19)相对于喷嘴通道(11)的纵轴线以在90°到150°之间的角度、优选以在130°到140°之间的角度延伸地构造。
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