CN102248293A - 旋转可调水波导激光加工装置 - Google Patents

Abstract

旋转可调水波导激光加工装置，涉及一种激光加工装置。设有激光器、倒置望远镜、镜筒、管接头、压片、平板玻璃、水腔体、第1反射镜、聚焦透镜、喷嘴体、定位卡榫、压紧螺钉、喷嘴固定架、支架、水收集器、夹具、数控平台、摄像机、水循环装置、数据采集与处理及控制计算机、观测激光器和第2反射镜。在选择不同的加工区域时候可以减少光路调整环节，提高效率，可解决背景技术部分中所述加工范围小和效率低的技术问题，以及加工柔性不足等缺点，在一定压力的该设备的腔体中，可以形成稳定水波导射流加工，能够将水导引激光的激光区域，从而能够很大程度上提高应用的领域和效率。

Description

旋转可调水波导激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置，尤其是涉及一种具有激光打孔，切割，焊接等功能的旋转可调水波导激光加工装置。

背景技术

瑞士Richerzhagen Bernold开发一种基于激光技术与水射流技术相结合的水波导激光微细加工技术(参见国际专利WO 95/32834)，该技术在某些脆性材料以及一些难加工材料的精细加工领域得到了应用和推广，传统的激光技术利用不同原理的激光发射设备和产生不同功率和波长的激光用于不同的工业应用领域。作为激光技术的一个重要分支，水波导激光加工技术目前已广泛应用于脆性的易受热效应影响的各种材料加工的各个领域，特别是包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装、医疗设备等。通过与计算机数控技术相结合，激光加工技术已成为硅工业加工的新技术，拥有普通加工技术所不能比拟的优势，体现在加工速度快、精度高、可灵活加工复杂形状工件，无切削力影响、无刀具损耗、无需更换刀具、无加工噪声等。该发明的核心是在拥有一定形状喷嘴的腔体内施加一定的水压，以及设计满足可以旋转且固定密封的喷嘴，以保证在一定的距离上可以形成微细的稳定层流水射流，同时将加工激光耦合聚焦于喷嘴微孔出口，利用激光在水和空气两种介质的接触面内的全反射，从而引导激光束作用于被加工工件，该发明克服了传统激光加工中的诸如不易调焦、热区影响大、加工毛刺、以及易产生有害加工气体等缺点，但该专利所阐述的方法只能产生单束水柱加工技术，而对于许多工业应用场合希望能够有一种可以进行简易调整从而进行不同加工区域的水波导激光加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种在选择不同的加工区域时候可以减少光路调整环节，提高效率，可解决背景技术部分中所述加工范围小和效率低的技术问题，以及加工柔性不足等缺点，在一定压力的该设备的腔体中，可以形成稳定的稳定水波导射流加工，能够将水导引激光的激光区域，从而能够很大程度上提高应用的领域和效率的旋转可调水波导激光加工装置。

本发明设有激光器、倒置望远镜、镜筒、管接头、压片、平板玻璃、水腔体、第1反射镜、聚焦透镜、喷嘴体、定位卡榫、压紧螺钉、喷嘴固定架、支架、水收集器、夹具、数控平台、摄像机、水循环装置、数据采集与处理及控制计算机、观测激光器和第2反射镜；

用于对加工激光束扩束和准直的倒置望远镜安装于用于发出加工激光束的激光器的正前方，倒置望远镜设于镜筒上；镜筒用于容纳加工激光传输光路改变后的光学元件，镜筒固定在水腔体上方；第1反射镜设在镜筒内；用于容纳喷嘴体和镜筒的水腔体与镜筒螺纹连接并固定在支架上；聚焦透镜安装于镜筒上；所述喷嘴体设有至少2个喷嘴和对应的定位卡口；所述定位卡榫安装在水腔体内；所述压紧螺钉通过螺纹固定在水腔体上；所述用于调节固定镜筒和水腔体的喷嘴固定架与支架螺纹连接，作为喷嘴固定架的可调节支撑的支架安装于数控平台的固定底座上方；带过滤器的水收集器安装在水循环回路上；用于固定不同类型的待加工工件的夹具固定于数控平台上；数控平台带动待加工工件在垂直于加工激光轴的平面上运动；用于观测加工激光耦合水腔情况的摄像机安装在距离加工位置附近可有效观测加工点之处，使得观测激光器发出的观测激光进入摄像机中成像观测；用于提供工作压力的水循环装置固定于地基上；所述数据采集与处理及控制计算机与数控平台连接；用于反射观测激光束和观测加工激光同水喷嘴的耦合情况的观测激光器与激光器的激光束同轴耦合安装；第2反射镜安装于观测激光器与激光器之间；所述水腔体通过管接头与水管连接，所述用于固定支撑板的压片安装在镜筒上；所述平板玻璃安装于镜筒下方和水腔体上方。

所述激光器可采用1064nm波长的Nd:YAG固体激光器。

所述倒置望远镜可采用扩束准直器，可根据具体需要选择伽里略或开普勒结构型式。

所述倒置望远镜可通过螺纹联接于镜筒上。所述镜筒可通过螺纹固定在水腔体上方，并可调节。所述用于固定支撑板的压片可通过螺纹安装在镜筒上；所述平板玻璃可通过镜筒与水腔体之间的螺纹连接定位。

所述平板玻璃与镜筒之间可设有密封圈，所述密封圈可安装在水腔体上并安装于水腔体与镜筒之间的间隙中。

所述喷嘴体的凸肩与水腔体的壳体之间可设有密封圈。

所述管接头与水腔体的壳体之间的凹槽内可设有密封圈。

所述喷嘴体设有喷嘴阵列和卡口阵列。

所述水循环装置可采用高压低流量的柱塞泵。

以下给出本发明的工作原理：

加工激光通过相应的倒置望远镜光学系统产生的扩束、准直的激光，通过该装置相耦合产生的波导水束光纤。在激光波导约束条件和稳流产生的约束条件下，可以确定喷嘴孔径大小，其原理是根据激光在水束光纤内部的全反射条件，使得相应的激光在空气与稳定的水束的分界面上产生全反射，通过稳定的水射流，进而将加工激光能量导引至待加工工件上。实现水波导激光的加工效率和加工质量都能够得到很大地提高。

本发明具有以下突出优点：

1)加工效率高。与单束水波导引激光加工系统相比，本发明可以将激光耦合于水射流波导中，一个水腔体和不同的水喷嘴可以形成多种粗细不同的稳定水射流，从而能够将激光能量通过多束水波导导引至样品，形成并行加工系统，进行大范围的加工，提高了效率。

2)对于脉冲激光加工而言，耦合加工精度高。本发明采用高功率激光器结合其他光学元件，可以根据加工要求来提高加工的精度。

3)系统易控制、可调性好。本发明的光路和工作台都可以进行实时的调整，而根据监视系统提供的数据还可以就加工的情况进行监控调整，提高了加工的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的喷嘴体上的喷嘴阵列的主视和俯视示意图。

图3为本发明实施例的旋转可调水波导激光加工头的结构主视及仰视示意图。

图1～3中的标记为：1——激光器，2——倒置望远镜，3——镜筒，4——第1反射镜，5——聚焦透镜，6——喷嘴体，7——喷嘴固定架，8——支架，9——待加工工件，10——水收集器，11——夹具，12——数控平台，13——摄像机，14——水循环装置，15——数据采集与处理及控制计算机，16——观测激光器(采用准直氦氖激光器)，17——第2反射镜，20——定位卡榫，21——压紧螺钉，22-平板玻璃，34——密封圈，35——密封圈，36——密封圈，37——水腔体，61，62，63，64，65，66，67，68——设于喷嘴体6上的以8个为例的一系列从大到小的喷嘴阵列，61‘，62’，63‘，64’，65‘，66’，67‘，68’——设于喷嘴体6外缘的对应位置喷嘴的卡口阵列。

具体实施方式

参见图1～3，本发明实施例设有激光器1、倒置望远镜2、镜筒3、第1反射镜4、聚焦透镜5、喷嘴体6、喷嘴固定架7、支架8、待加工工件9、水收集器10、夹具11、数控平台12、摄像机13、水循环装置14、数据采集与处理及控制计算机15、观测激光器(采用准直氦氖激光器)16、第2反射镜17、定位卡榫20、压紧螺钉21、平板玻璃22、密封圈34、密封圈35、密封圈36、水腔体37、设于喷嘴体6上的以8个为例的一系列从大到小的喷嘴阵列61，62，63，64，65，66，67，68、设于喷嘴体6外缘的对应位置喷嘴的卡口阵列61‘，62’，63‘，64’，65‘，66’，67‘，68’。

用于对加工激光束扩束和准直的倒置望远镜2安装于用于发出加工激光束的激光器1的正前方，倒置望远镜2设于镜筒3上；镜筒3用于容纳加工激光传输光路改变后的光学元件，镜筒3固定在水腔体37上方；第1反射镜4设在镜筒3内；用于容纳喷嘴体6和镜筒3的水腔体37与镜筒3螺纹连接并固定在支架7上；聚焦透镜5安装于镜筒3上；所述喷嘴体6设有8个喷嘴和对应的定位卡口；所述定位卡榫20安装在水腔体37内；所述压紧螺钉21通过螺纹固定在水腔体37上；所述用于调节固定镜筒3和水腔体37的喷嘴固定架7与支架8螺纹连接，作为喷嘴固定架7的可调节支撑的支架8安装于数控平台12的固定底座上方；带过滤器的水收集器10安装在水循环回路上；用于固定不同类型的待加工工件9的夹具11固定于数控平台12上；数控平台12带动待加工工件9在垂直于加工激光轴的平面上运动；用于观测加工激光耦合水腔情况的摄像机13安装在距离加工位置附近可有效观测加工点之处，使得观测激光器16发出的观测激光进入摄像机13中成像观测；用于提供工作压力的水循环装置14固定于地基上；所述数据采集与处理及控制计算机15与数控平台12连接；用于反射观测激光束和观测加工激光同水喷嘴的耦合情况的观测激光器16与激光器1的激光束同轴耦合安装；第2反射镜17安装于观测激光器16与激光器1之间；所述水腔体37通过管接头与水管连接，所述用于固定支撑板的压片安装在镜筒3上；所述平板玻璃22安装于镜筒3下方和水腔体37上方。

所述倒置望远镜2可通过螺纹联接于镜筒3上。所述镜筒3可通过螺纹固定在水腔体上方，并可调节。所述用于固定支撑板的压片可通过螺纹安装在镜筒3上；所述平板玻璃22可通过镜筒与水腔体37之间的螺纹连接定位。

所述平板玻璃22与镜筒3之间设有密封圈34，所述密封圈34安装在水腔体37上并安装于水腔体37与镜筒3之间的间隙中。

所述喷嘴体6的凸肩与水腔体37的壳体之间设有密封圈35。

所述管接头与水腔体37的壳体之间的凹槽内设有密封圈37。

所述水循环装置14采用高压低流量的柱塞泵。

以下给出各部件的作用及联接关系：

激光器1，用于发出加工激光。

倒置望远镜2，用于对加工激光束的扩束、准直之作用，该倒置望远镜2安装于激光器1发出的加工激光的光束正前方，倒置望远镜2可通过螺纹联接于镜筒3上。

镜筒3，用于容纳加工激光传输光路改变后的光学元件，镜筒3通过螺纹可固定在水腔体上方，并可调节。

管接头，连接水腔体37和水管，螺纹连接在镜筒3上。

压片，用来固定支撑板，螺纹安装在镜筒3。

平板玻璃22，在不改变加工激光光束下，对形成水射流空间进行密封，安装于镜筒3下方，水腔体37上方，通过镜筒与水腔体37之间的螺纹连接来定位。

密封圈34用于密封平板玻璃22同以及镜筒3，水腔体37以及喷嘴体6之间形成密封的空间，安装在水腔体37上，并安于镜筒3之间的间隙中。

密封圈35，用于密封喷嘴体6和水腔体37，安装在喷嘴体6的凸肩和壳体之间。

密封圈36，用于密封管接头和水腔体37，置于管接头和水腔体37的壳体之间的凹槽。

水腔体37，用于容纳喷嘴体6以及镜筒3，以便形成射流，同镜筒3螺纹连接，固定在支架7上。

反射镜4，用于调整加工激光传输光路方向，将加工激光调整至垂直于待加工零件表面，配合压片螺纹联接保持架下面安装第1反射镜4，以便把加工激光引入喷嘴体6。

聚焦透镜5，基于最小喷嘴孔68作为聚焦透镜的聚焦标准，将加工激光整形为最小光斑，聚焦透镜5安装于镜筒3上，可以通过凸肩和螺纹连接在镜筒3上。

喷嘴体6，设有一系列的喷嘴61，62，63，64，65，66，67，68，每一个喷嘴体都带有对应的定位卡口61‘，62’，63‘，64’，65‘，66’，67‘，68’。

定位卡榫20，带弹簧，配合转盘上的卡口进行定位，安装在水腔体37内，用螺纹固定。

压紧螺钉21，Z方向的定位以及配合密封圈进行密封，该压紧螺钉21通过螺纹固定在水腔体37上。

喷嘴固定架7，调节固定镜筒3和水腔体37，可以用套环固定镜筒3和水腔体37，并用螺纹联接于支架8上。

支架8，作为喷嘴固定架7可调节的支撑，安装于数控平台12的固定底座上方。

带过滤器的水收集器10，负责为水循环装置14提供水波导激光加工装置的去离子水，前端带过滤器，安装在水循环回路上。

夹具11，用于固定不同类型的待加工工件9，夹具11应该固定于数控平台12上，同数控平台12一起运动。

数控平台12，带动待加工工件9在垂直于加工激光轴的平面上运动，以便加工出所需要的形状，该平台需平整固定。

摄像机13，用于观测加工激光耦合水腔的情况，安装在距离加工位置附近可有效观测加工点之处，使得观测激光器16发出的观测激光进入摄像机13中成像观测。

水循环装置14，提供有效的稳定工作压力，以保证该腔体能产生稳定水射流，可以是高压低流量的柱塞泵，固定于地基上。

数据采集与处理及控制计算机15，可以控制数控平台12，使得数控平台12按照数据采集与处理及控制计算机15编制好的程序运动，以便加工出需要的形状，其距离应该在距离工位5米左右的范围内连接数控平台12。

观测激光器16，用于发射观测激光和观测加工激光同水喷嘴的耦合情况，同激光器1发出加工激光同轴耦合安装。

第2反射镜17，将观测激光器16发出的观测激光调整至同加工激光器1发出激光同轴，可以独立安装于观测激光器16与激光器1之间。

以下给出本发明的加工使用方法：

1)调整好数控平台12与激光切割头的镜筒3的位置。旋转可调水波导激光装置根据加工要求分别精确调整激光切割头将待加工工件9按要求固定。

2)产生水波导：由水循环装置14和喷嘴体6耦合产生用于同激光精确耦合的旋转可调水波导。

3)生成加工激光：将激光器1打开后，激光通过倒置望远镜2和第1反射镜4，然后激光分别通过聚焦透镜5将其转换成用于加工的激光束。

4)通过激光聚焦透镜5将激光同水波导耦合喷嘴体6进行耦合并引导激光至待加工工件9进行相应的加工。

5)当加工激光对刀时，需要以最小孔径的喷嘴为基准进行对刀，通过数据采集与处理及控制计算机15和摄像机13对加工过程进行跟踪监测保证加工质量。

上述生成多个并行激光束的步骤具体为：将激光器1产生的激光束通过倒置望远镜2、第1反射镜4和聚焦透镜5，然后到达水喷嘴体6。

上述生成水波导激光阵列加工方法的具体步骤还包括：处理过的蒸馏水(或去离子水)通过水循环装置14到达激光耦合的喷嘴体6形成的稳定的水射流，进而在喷嘴处同激光聚焦耦合并引导激光至待加工工件9进行加工。

上述一种水波导激光阵列加工方法的具体步骤还包括：摄像机13对待加工工件9的位置的全过程实时的检测，并将图像和加工情况传输到数据采集与处理及控制计算机15上进行评估。

上述旋转可调水波导激光加工方法的具体步骤还包括：通过数据采集与处理及控制计算机15的观测，可以调整数控平台12的移动进而调整待加工工件9与水波导的位置来满足加工要求。

激光器1可采用Nd:YAG激光器，输出激光进入倒置望远镜2；可在通过一个透明的光学窗口，保证光束的通过，倒置望远镜2可以用两个焦距不等的透镜共焦面扩束准直加工激光光束；而这两个透镜焦距的比值则决定了扩束的倍数和准直的效果。激光经过倒置望远镜2以后形成方向性和光束质量更好的激光束，然后进入通过设置激光加工头对应的镜筒3中的第1反射镜4将激光耦合到相应的聚焦透镜5后将激光变换加工所需的激光束。

当加工前对刀时，加工激光可以通过转轮上喷嘴体6上的最小喷嘴来对刀，具体为加工激光分别通过聚焦透镜5，调整后的激光再耦合进入喷嘴体6；进入耦合系统的激光与水循环装置14形成的循环水在耦合喷嘴体6出口进行耦合形成加工用的水波导激光，从而激光能量最终被阵列的水波导最终被导引至待加工样品9进行各种加工操作；水收集器10和水循环装置14负责为整个加工系统提供所需要的水。水循环装置14具体可以由增压泵和流量计以及稳压和过滤以及储能设备组成。摄像机13在加工和调整系统过程中连接数据采集与处理及控制计算机15提供输入的信息进而可以监视整个加工过程，数控平台12是通过数据采集与处理及控制计算机15从摄像机12获取的信息来调整待加工工件9与喷嘴体6的位置关系来调整加工过程。

本发明不但解决了传统水射流激光加工中的加工区域不同需更换加工头，以及需重新精确调节、效率低等技术问题，最重要的是通过几个简单动作就将激光转换成可以在不同加工区域的加工的水波导激光；从而具有高效率、高精度、高质量等优点，在切割一些精细的狭缝，凹槽中具有更加高速的应用。

Claims (10)

1.旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于设有激光器、倒置望远镜、镜筒、管接头、压片、平板玻璃、水腔体、第1反射镜、聚焦透镜、喷嘴体、定位卡榫、压紧螺钉、喷嘴固定架、支架、水收集器、夹具、数控平台、摄像机、水循环装置、数据采集与处理及控制计算机、观测激光器和第2反射镜；

用于对加工激光束扩束和准直的倒置望远镜安装于用于发出加工激光束的激光器的正前方，倒置望远镜设于镜筒上；镜筒用于容纳加工激光传输光路改变后的光学元件，镜筒固定在水腔体上方；第1反射镜设在镜筒内；用于容纳喷嘴体和镜筒的水腔体与镜筒螺纹连接并固定在支架上；聚焦透镜安装于镜筒上；所述喷嘴体设有至少2个喷嘴和对应的定位卡口；所述定位卡榫安装在水腔体内；所述压紧螺钉通过螺纹固定在水腔体上；所述用于调节固定镜筒和水腔体的喷嘴固定架与支架螺纹连接，作为喷嘴固定架的可调节支撑的支架安装于数控平台的固定底座上方；带过滤器的水收集器安装在水循环回路上；用于固定不同类型的待加工工件的夹具固定于数控平台上；数控平台带动待加工工件在垂直于加工激光轴的平面上运动；用于观测加工激光耦合水腔情况的摄像机安装在距离加工位置附近可有效观测加工点之处，使得观测激光器发出的观测激光进入摄像机中成像观测；用于提供工作压力的水循环装置固定于地基上；所述数据采集与处理及控制计算机与数控平台连接；用于反射观测激光束和观测加工激光同水喷嘴的耦合情况的观测激光器与激光器的激光束同轴耦合安装；第2反射镜安装于观测激光器与激光器之间；所述水腔体通过管接头与水管连接，所述用于固定支撑板的压片安装在镜筒上；所述平板玻璃安装于镜筒下方和水腔体上方。

2.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述激光器采用1064nm波长的Nd:YAG固体激光器。

3.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述倒置望远镜通过螺纹联接于镜筒上。

4.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述镜筒通过螺纹固定在水腔体上方，并可调节。

5.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述用于固定支撑板的压片通过螺纹安装在镜筒上。

6.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述平板玻璃通过镜筒与水腔体之间的螺纹连接定位。

7.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述平板玻璃与镜筒之间设有密封圈，所述密封圈安装在水腔体上并安装于水腔体与镜筒之间的间隙中。

8.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述喷嘴体的凸肩与水腔体的壳体之间设有密封圈；所述管接头与水腔体的壳体之间的凹槽内设有密封圈。

9.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述喷嘴体设有喷嘴阵列和卡口阵列。

10.如权利要求1所述的旋转可调水波导激光加工装置，其特征在于所述水循环装置采用高压低流量的柱塞泵。

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