CN107154572A - 去耦的液体射流引导的激光器喷嘴帽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及去耦的液体射流引导的激光器喷嘴帽。具体而言，公开了一种用于液体射流引导的激光器系统的头部组件，其具有可除去地设置至激光器系统的激光聚焦光学模块的耦合单元。耦合单元具有可除去地连接至耦合单元的喷嘴组件。喷嘴组件具有液体射流喷嘴和喷嘴帽。喷嘴帽具有与辅助气体源流体连通且延伸穿过喷嘴帽本体的多个轴向辅助气体管道和静态辅助气体管道以将辅助气体独立地输送至定位成邻近液体射流排出辅助气体的轴向出射端口和静态出射端口。该多个轴向辅助气体管道的至少一部分与液体射流孔分隔开以免流体连通。侧向移动组件可构造在激光聚焦光学模块与耦合组件之间。

Description

去耦的液体射流引导的激光器喷嘴帽

技术领域

大体上，公开了一种用于液体射流引导的激光器系统的喷嘴帽。具体而言，喷嘴帽使液体射流与轴向辅助气体去耦来减少液体射流的干扰。

背景技术

有时称为液体微射流(LMJ)的液体射流引导的激光器技术将激光焦点耦合到小液体射流中，例如，通过聚焦透镜。这种耦合在耦合单元中发生。耦合单元可包括利用激光保护窗闭合的在聚焦透镜一侧的金属室。在相对侧，室承载喷嘴。提供至耦合单元的液体在窗与喷嘴之间流动且以液体射流的形式离开喷嘴。焦平面中的激光点的能量俘获在液体射流内且通过内部反射引导至工件。该方法消除了精确地控制工件的距离的需要，因为执行处理所需的能量贯穿液体射流的层流长度可用。提供适合的光引导能力的任何液体都可用于形成液体射流。

液体射流的层流长度可通过将辅助气体提供至液体射流来增大以延长过程的工作距离。辅助气体作为直接边界层引导至液体射流，以便减小液体与环境空气之间的阻力，且因此增大液体射流的层流长度。因此，液体射流由辅助气体包围且在耦合单元内，辅助气体朝液体射流引导。例如，辅助气体可在水平面中朝在垂直平面中行进的液体射流进入耦合单元。辅助气体和液体射流然后离开系统，其中液体射流在由辅助气体包围的中部。

存在辅助气体与液体射流之间的从属性。例如，辅助气体的压力和流动性质可选择成优化液体射流的层流。辅助气体的其它操作状态可不利地影响液体射流。例如，辅助气体的高压力可缩短液体射流的层流，且辅助气体的甚至更高的压力可破坏液体射流。辅助气体还可中断液体射流中的激光束的内部反射，从而影响激光处理功率。

发明内容

本公开内容的方面和优点将在以下描述中部分地提出，或可从描述中清楚，或可通过实施本公开内容学习到。

公开了一种用于液体射流引导的激光器系统的头部组件，其具有：可除去地设置至激光器系统的激光聚焦光学模块的耦合单元。耦合单元具有可除去地连接至耦合单元的喷嘴组件。喷嘴组件限定轴向方向和径向方向且具有液体射流喷嘴和喷嘴帽。液体射流喷嘴构造成形成液体射流。喷嘴帽具有喷嘴帽本体，其限定沿轴向对准且延伸穿过喷嘴帽本体的中心的液体射流孔。多个轴向辅助气体管道和静态辅助气体管道与辅助气体源流体连通且通过以与液体射流孔同心的环形样式定位的进入端口进入喷嘴帽本体。轴向辅助气体管道和静态辅助气体管道延伸穿过喷嘴帽本体以将辅助气体独立地输送至定位成邻近液体射流排出辅助气体的轴向出射端口和静态出射端口。该多个轴向辅助气体管道的至少一部分与液体射流孔分隔开以免流体连通。还公开了液体射流引导的激光器系统，其具有侧向移动组件，该组件构造成使激光聚焦光学模块与可除去地附接至侧向移动组件的耦合单元附接。

技术方案1. 一种用于液体射流引导的激光器系统的头部组件，包括；

可除去地设置至所述激光器系统的激光聚焦光学模块的耦合单元，所述耦合单元包括；

可除去地连接至所述耦合单元的喷嘴组件，所述喷嘴组件限定轴向方向和径向方向且包括液体射流喷嘴和喷嘴帽，其中所述液体射流喷嘴构造成形成液体射流，所述喷嘴帽包括；

喷嘴帽本体，其限定沿轴向对准且延伸穿过所述喷嘴帽本体的中心的液体射流孔，

与辅助气体源流体连通的多个轴向辅助气体管道和静态辅助气体管道，所述多个轴向辅助气体管道和多个静态辅助气体管道通过以与所述液体射流孔同心的环形样式定位的进入端口进入所述喷嘴帽本体且延伸穿过所述喷嘴帽本体以将辅助气体独立地输送至定位成邻近所述液体射流排出辅助气体的轴向出射端口和静态出射端口；以及

其中所述多个轴向辅助气体管道的至少一部分与所述液体射流孔分隔开以免流体连通。

技术方案2. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述轴向出射端口的至少一部分定位成在大约10度到大约40度的范围中的液体射流会聚角下射出所述辅助气体。

技术方案3. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述静态出射端口的至少一部分定位成用于与所述液体射流孔径向流体连通。

技术方案4. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述多个轴向辅助气体管道和所述多个静态辅助气体管道的直径在大约0.005英寸到大约0.03英寸的范围中。

技术方案5. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述头部组件还包括可除去地设置在隔膜槽口中的隔膜。

技术方案6. 根据技术方案5所述的头部组件，其中，所述隔膜定位成垂直于所述液体射流的轴向方向且延伸足够的距离来通过所述隔膜阻挡辅助气体连通。

技术方案7. 根据技术方案5所述的头部组件，其中，所述头部组件还包括限定在大约1:4到1:10的范围中的形状比的隔膜中心孔。

技术方案8. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述耦合单元包括用于供应环形导管的液体。

技术方案9. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述头部组件还包括辅助气体歧管，其构造成将辅助气体通过环形空间供应至所述多个轴向辅助气体管道和多个静态辅助气体管道。

技术方案10. 根据技术方案1所述的头部组件，其中，所述耦合单元包括可除去地设置至所述喷嘴组件的窗元件。

实施方案11. 一种液体射流引导的激光器系统，包括：

构造成附接至激光聚焦光学模块的侧向移动组件；

可除去地附接至所述侧向移动组件的耦合组件，其中所述侧向移动组件允许在垂直于所述液体射流引导的激光器系统的激光束的平面中调整所述耦合组件的位置，所述耦合组件包括；

可除去地连接至耦合单元的喷嘴组件，所述喷嘴组件限定轴向方向和径向方向且包括液体射流喷嘴和喷嘴帽，其中所述液体射流喷嘴构造成形成液体射流，所述喷嘴帽包括；

喷嘴帽本体，其限定沿轴向对准且延伸穿过所述喷嘴帽本体的中心的液体射流孔，

与辅助气体源流体连通的多个轴向辅助气体管道和静态辅助气体管道，所述多个轴向辅助气体管道和多个静态辅助气体管道通过以与所述液体射流孔同心的环形样式定位的进入端口进入所述喷嘴帽本体且延伸穿过所述喷嘴帽本体以将辅助气体独立地输送至定位成邻近所述液体射流排出辅助气体的轴向出射端口和静态出射端口；且

其中所述多个轴向辅助气体管道的至少一部分与所述液体射流孔分隔开以免流体连通。

实施方案12. 根据实施方案11所述的激光器系统，其中，所述轴向出射端口的至少一部分定位成在大约10度到大约40度的范围中的液体射流会聚角下射出所述辅助气体。

实施方案13. 根据实施方案11所述的激光器系统，其中，所述静态出射端口的至少一部分定位成用于与所述液体射流孔径向流体连通。

实施方案14. 根据实施方案11所述的激光器系统，其中，所述多个轴向辅助气体管道和所述多个静态辅助气体管道的直径在大约0.005英寸到大约0.03英寸的范围中。

实施方案15. 根据权利要求11所述的激光器系统，其中，所述激光器系统还包括可除去地设置在隔膜槽口中的隔膜。

实施方案16. 根据实施方案15所述的激光器系统，其中，所述隔膜定位成垂直于所述液体射流的轴向方向且延伸的足够距离来通过所述隔膜阻挡辅助气体连通。

实施方案17. 根据实施方案15所述的激光器系统，其中，所述激光器系统还包括限定在大约1:2到1:10的范围中的形状比的隔膜中心孔。

实施方案18. 根据实施方案11所述的激光器系统，其中，所述耦合单元包括用于供应环形导管的液体。

实施方案19. 根据实施方案11所述的激光器系统，其中，所述激光器系统还包括辅助气体歧管，其构造成将辅助气体通过环形空间供应至所述多个轴向辅助气体管道和多个静态辅助气体管道。

实施方案20. 根据实施方案11所述的激光器系统，其中，所述耦合单元包括可除去地设置至所述喷嘴组件的窗元件。

实施方案21. 根据技术方案5所述的头部组件，其中，所述头部组件还包括限定在大约1:2到1:10的范围中的形状比的隔膜中心孔。

本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图说明了本公开内容的实施例，且连同描述用于阐释本公开内容的原理。

附图说明

针对本领域的普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放的公开内容在参照附图的说明书中提出，在附图中：

图1示出了穿过头部组件的实施例的截面。

图2为喷嘴帽的实施例的侧视图。

图3为喷嘴帽的实施例的顶视图。

图4为喷嘴帽的实施例的透视图。

图5为具有静态辅助气体端口的喷嘴帽的另一个实施例的透视图。

图6为喷嘴帽的实施例的端视图。

本说明书和附图中的参考标号的重复使用意在表示本公开内容的相同或相似的特征或元件。

构件清单

20 液体射流引导的激光器系统

21 头部组件

22 耦合组件

24 激光聚焦光学模块

26 激光束

28 聚焦透镜

30 侧向移动组件

31 辅助气体

32 静态辅助气体管道

33 液体射流

35 静态出射端口

40 侧向移动组件

41 隔膜槽口

42 隔膜

50 激光聚焦光学模块

51 支座

53 环形连接部分

55 排放导管

57 耦合单元

59 圆锥形开口

60 喷嘴组件

61a,61b 进入端口

62 窗元件

63 中间空间

65 液体射流喷嘴

67 径向管线

69 环形导管

70 液体

71 流体喷嘴

73 上部部分空间

75 下部部分空间

77 喷嘴帽

78 喷嘴帽本体

79 液体射流孔

81a,81b 轴向辅助气体管道

83 辅助气体歧管

85 环形空间

91a,91b 轴向出射端口

θ 液体射流会聚角。

具体实施方式

现在将对本公开内容的实施例进行详细参照，其一个或多个示例在附图中示出。各个示例通过阐释本公开内容的方式提供，而不限制本公开内容。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，在不脱离本公开内容的范围或精神的情况下，可在本公开内容中作出各种改型和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，期望本公开内容覆盖归入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。

如本文使用的用语"轴向"和"径向"是指关于中心流体通路中的流体流的相对方向，其中"轴向"平行于中心流体通路，且"径向"垂直于中心流体通路且从中心流体通路中的公共中心点发散。另外，"上游"是指流体流出的方向，且"下游"是指流体流至的方向。

所有方向参照(例如，径向、轴向、近侧、远侧、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、反时针等)仅用于识别目的以有助于读者的理解，且不产生特别是关于本发明的位置、定向或使用的限制。连接参照(例如，附接、联接、连接和连结)宽泛地构想出，且可包括一系列元件之间的中间部件以及元件之间的相对移动，除非另外指出。因此，连接参照不一定是指两个元件直接地连接且与彼此成固定关系。示例性的图仅出于说明目的，且附于此的图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可变化。

图1示出了穿过液体射流引导的激光器系统20的头部组件(21)的实施例的截面，其可包括耦合至激光聚焦光学模块24的耦合组件22。激光聚焦光学模块24可包括激光束26和光学元件(诸如聚焦透镜28)。在一些实施例中，调整激光束26的聚焦由可耦合在激光聚焦光学模块24与耦合组件22之间的侧向移动组件30辅助，因此允许耦合组件22在垂直于激光束26的方向的侧向平面中移动。

支座51具有环形连接部分53，支座51形成漏斗的类型以使聚焦的激光束26从激光聚焦光学模块24穿过侧向移动组件30。激光束26穿过窗元件62聚焦到液体射流喷嘴65中的液体喷嘴71中。支座51以环形形状包围耦合单元57且以同轴布置将其保持。在顶部，耦合单元57具有开口59，开口59从顶部到底部圆锥形地渐缩。在圆锥形开口59的下端处形成了肩部，窗元件62接触在肩部上。在窗元件62的下侧上，存在具有液体射流喷嘴65和喷嘴帽77的喷嘴组件60。薄的中间空间63用作窗元件62与液体射流喷嘴65之间的流体流入管线。

液体70(例如，水)经由环形导管69且然后经由径向管线67以必要的压力(例如，400巴)给送到中间空间63中。液体射流喷嘴65邻近流体喷嘴71从下方插入耦合单元57的圆柱形内部空间中。液体射流喷嘴65在其面向中间空间63的上侧上具有凹口，流体喷嘴71插入凹口中。流体喷嘴71具有中心轴向导管，轴向导管形成流体33(见图2)的细射流，其以光学波导的方式引导激光辐射。导管具有与期望的流体射流的直径对应的直径，例如，30到60微米。

邻近流体喷嘴71，存在气体保持空间，其在本示例中由上部部分空间73和下部部分空间75形成。这允许了在液体射流喷嘴65的下端给送的辅助气体31膨胀而不干扰流体33的射流。

图2-图6为安装在液体射流喷嘴65的下侧的喷嘴帽77的各种视图。喷嘴帽77在上部部分空间73和下部部分空间75邻接彼此的位置处连接。喷嘴帽77具有喷嘴帽本体78，其限定沿轴向对准且从形成下部部分空间75的腔延伸穿过喷嘴帽本体78的中心至底部末梢的液体射流孔79。其从顶部到底部在轴向方向上圆锥形地渐缩。例如，液体射流孔79具有1到2mm的直径。

喷嘴帽77具有定位在喷嘴帽77的顶面附近的辅助气体歧管83(见图1)。歧管83通过环形空间85(见图1)供应。辅助气体31从歧管83引入到多个轴向辅助气体管道81a、81b和静态辅助气体管道32。多个轴向气体管道81a、81b和静态辅助气体管道32可为适合于将辅助气体31输送至不同位置的任何数目的管道。轴向辅助气体管道81a、81b和静态辅助气体管道32两者的直径可为不同或相同的，且可在大约0.005''(英寸)直径到0.03''直径的范围中。多个轴向辅助气体管道81a、81b与辅助气体源31流体连通，通过进入端口61a、61b(图2)进入喷嘴帽本体78且以与液体射流孔79同心的环形样式定位。静态辅助气体管道32也与辅助气体源31流体连通，且可定位成以径向样式延伸来垂直于中心流体通路排出静态辅助气体。轴向辅助气体管道81a、81b延伸穿过喷嘴帽本体78以将辅助气体31独立地输送至定位成邻近液体射流33排出辅助气体31的轴向出射端口91a、91b。轴向辅助气体管道81a、81b的至少一部分与液体射流孔79分隔开以免流体连通以使辅助气体31与液体射流33去耦。轴向出射端口91a、91b可构造为形成为在大约10度到大约40度的范围中的液体射流会聚角θ下射出辅助气体的轴向出射端口。

图2和图5示出了隔膜42的实施例，其可除去地设置在隔膜槽口41中，槽口41定位成垂直于穿过液体射流孔79的轴向方向，且延伸足够距离来通过隔膜42阻挡辅助气体连通。隔膜可为大约0.04''到0.5''厚，带有大约0.02''到0.05''直径的中心孔。这些尺寸可在大约1:2到1:10之间的形状比(孔直径:隔膜厚度)内变化。图3和图4为图2中所示的喷嘴帽77的顶视图和透视图。

图5为具有多个静态辅助气体管道32的喷嘴帽77的另一个实施例形状，其中静态出射端口35定位成排放到下部部分75中。静态出射端口35以径向样式离开喷嘴帽本体78以大致垂直于中心流体通路排出静态辅助气体31。静态出射端口从中心流体通路中的公共中心点发散。图6为图4的实施例的底视图。

适用于构造带有轴向辅助气体管道81a、81b、静态辅助气体管道32、隔膜42和LMJ头部组件(21)的其它部分的喷嘴帽77的增材制造技术包括但不限于材料喷射、粘结剂喷射、材料挤出、粉末床熔合、直接金属激光熔化、选择性激光熔化、选择性激光烧结、直接金属激光烧结、电子束熔化、选择性热烧结、板层叠、直接能量沉积和/或它们的组合。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开内容可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于液体射流引导的激光器系统(20)的头部组件(21)，包括；

可除去地设置至所述激光器系统(20)的激光聚焦光学模块(24)的耦合单元(57)，所述耦合单元(57)包括；

可除去地连接至所述耦合单元(57)的喷嘴组件(60)，所述喷嘴组件(60)限定轴向方向和径向方向且包括液体射流喷嘴(65)和喷嘴帽(77)，其中所述液体射流喷嘴(65)构造成形成液体射流(33)，所述喷嘴帽(77)包括；

喷嘴帽本体(78)，其限定沿轴向对准且延伸穿过所述喷嘴帽本体(78)的中心的液体射流孔(79)，

与辅助气体(31)源流体连通的多个轴向辅助气体管道(81a,81b)和静态辅助气体管道(32)，所述多个轴向辅助气体管道(81a,81b)和多个静态辅助气体管道(32)通过以与所述液体射流孔(79)同心的环形样式定位的进入端口(61a,61b)进入所述喷嘴帽本体(78)且延伸穿过所述喷嘴帽本体(78)以将辅助气体(31)独立地输送至定位成邻近所述液体射流(33)排出辅助气体(31)的轴向出射端口(91a,91b)和静态出射端口(35)；以及

其中所述多个轴向辅助气体管道(81a,81b)的至少一部分与所述液体射流孔(79)分隔开以免流体连通。

2.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述轴向出射端口(91a,91b)的至少一部分定位成在大约10度到大约40度的范围中的液体射流会聚角(θ)下射出所述辅助气体(31)。

3.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述静态出射端口(35)的至少一部分定位成用于与所述液体射流孔(79)径向流体连通。

4.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述多个轴向辅助气体管道(81a,81b)和所述多个静态辅助气体管道(32)的直径在大约0.005英寸到大约0.03英寸的范围中。

5.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述头部组件(21)还包括可除去地设置在隔膜槽口(41)中的隔膜(42)。

6.根据权利要求5所述的头部组件(21)，其特征在于，所述隔膜(42)定位成垂直于所述液体射流(33)的轴向方向且延伸足够的距离来通过所述隔膜(42)阻挡辅助气体(31)连通。

7.根据权利要求5所述的头部组件(21)，其特征在于，所述头部组件(21)还包括限定在大约1:4到1:10的范围中的形状比的隔膜中心孔。

8.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述耦合单元(57)包括用于供应环形导管(69)的液体。

9.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述头部组件(21)还包括辅助气体歧管(83)，其构造成将辅助气体(31)通过环形空间(85)供应至所述多个轴向辅助气体管道(81a,81b)和多个静态辅助气体管道(32)。

10.根据权利要求1所述的头部组件(21)，其特征在于，所述耦合单元(57)包括可除去地设置至所述喷嘴组件(60)的窗元件(62)。