CN107876976A - 液膜射流导引激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工领域，公开了一种液膜射流导引激光加工装置，包括聚焦透镜，激光窗，高压水腔，狭缝喷嘴，所述高压水腔的顶部为所述激光窗，底部开有所述狭缝喷嘴，外部激光源发出的激光束经所述聚焦透镜后，透过激光窗投射到所述狭缝喷嘴，所述高压水腔内的高压水经所述狭缝喷嘴喷出形成液膜射流，所述液膜射流对准被加工的工件，所述激光束以所述液膜射流为传输介质输出到工件上。通过采用液膜导引激光束形成的线激光光斑加工可有效避免传统“干”式线激光光斑加工过程中的高热应力、毛刺、表面污染等影响。同时亦可改善毛细管微水射流导引激光加工效率低和面加工处理难的缺点。

Description

液膜射流导引激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及到一种导引激光加工装置。

背景技术

激光加工已广泛应用于工件切割、钻孔、焊接、清洗、表面处理。由于激光的高能高热以及焦点跟踪的影响，其加工过程往往伴随着加工毛刺、微粒的沉积、加工孔道的不平行、热应力等等不利因素，从而限制了激光加工的质量与应用范围。

在美国专利US5902499中公布了一种采用水射流导引高能激光做加工的方法与装置。从喷嘴射出的高压水形成层流状收缩射流。高能激光被导引并耦合入水射流。水与空气间平滑的自由液面使激光在射流中形成全反射，并沿着射流传导直达被加工表面。该发明有效的解决了激光高热和焦点追踪难带来的加工质量问题。但是由于采用的汇聚透镜组将所有激光能量汇入一束毛细管水射流，该发明在加工过程中，一次只能完成一个加工点的微细打孔或通过电机移动耦合头完成一道微细沟槽的切割，效率偏低。聚焦于加工表面的微点形光斑局限了水射流导引激光加工技术在面加工领域(如激光表面清洗)的应用。

在中国专利CN104959349A中公布了一种激光清洗装置，它包括出射激光束的激光器、用于对待清洗工件进行扫描照射的光斑生成机构，所述光斑生成机构包括依次设置在所述激光束的出射光路中的准直镜及透镜组。光斑生成机构通过使用光学透镜系统使点光源变成线光斑，把激光清洗由点扫描变成线扫描，在保证激光功率密度的前提下，能够大幅度提高激光清洗效率。由于本清洗方法属于激光“干”加工，激光的高能高热不可避免会产生对被清洗基体的影响。同时烧灼的残渣遗留在清洗表面，直接影响清洗效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的液膜射流导引激光加工装置，以克服上述现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种液膜射流导引激光加工装置，包括聚焦透镜，激光窗，高压水腔，狭缝喷嘴，所述高压水腔的顶部为所述激光窗，底部开有所述狭缝喷嘴，外部激光源发出激光束经所述聚焦透镜后，透过激光窗投射到所述狭缝喷嘴，所述高压水腔内的高压水经所述狭缝喷嘴喷出形成液膜射流，所述液膜射流对准被加工的工件，所述激光束以所述液膜射流为传输介质输出到工件上。

进一步改进的，所述狭缝喷嘴位于所述聚焦透镜的焦平面。

可选的，所述激光束为矩形光斑激光束，所述聚焦透镜为柱面透镜。

可选的，所述激光束为圆形光斑激光束，所述聚焦透镜为球面透镜。

优选的，所述狭缝喷嘴以宝石体为载体。

优选的，所述宝石体的截面为圆形、椭圆形或半圆拉伸形。

进一步的，还包括光路器件壳体和喷嘴保持体，所述激光窗密封安装在光路器件壳体内，所述宝石体密封在所述喷嘴保持体内，所述高压水腔位于所述激光窗与喷嘴保持体之间。

优选的，所述高压水的压力取值为5MPa～100MPa。

最佳的，所述激光窗在所述高压水腔的那一面为平面，所述宝石体在所述高压水腔的那一面为平面。

所述狭缝喷嘴的垂直截面为抛物线形、Y形、圆弧形、流线型、锥形或直角形。

本发明将圆形光斑或矩形光斑激光束经由球面透镜或柱面透镜汇聚于狭缝喷嘴处，汇聚后的激光束经由位于气体环境中的液膜射流前后两表面的全反射传导至被加工工件表面，形成狭长的线激光光斑。线光斑宽度受液膜射流厚度的影响。线光斑长度则取决于入射光斑形状、聚焦透镜形式及液膜射流长度。通过采用液膜导引激光束形成的线激光光斑加工可有效避免传统“干”式线激光光斑加工过程中的高热应力、毛刺、表面污染等影响。同时亦可改善毛细管微水射流导引激光加工效率低和面加工处理难的缺点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的矩形光斑激光束耦合液膜射流加工示例图。

图2(a)为矩形光斑激光束聚焦于液膜射流并在其中传导原理主视图。

图2(b)为矩形光斑激光束聚焦于液膜射流并在其中传导原理侧视图。

图3是本发明的圆形光斑激光束耦合液膜射流加工示例图。

图4(a)圆形光斑激光束聚焦于液膜射流并在其中传导原理主视图。

图4(b)圆形光斑激光束聚焦于液膜射流并在其中传导原理侧视图。

图5是本发明的液膜射流导引激光加工装置结构简图。

图6(a)是本发明的与狭缝尺寸相适应的宝石体圆形外形图。

图6(b)是本发明的与狭缝尺寸相适应的宝石体椭圆形外形图。

图6(c)是本发明的与狭缝尺寸相适应的宝石体半圆拉伸形外形图。

图7直角形入口喷嘴形状示意图。

图8(a)是长方形状喷嘴内部横切面水-气相图。

图8(b)是半圆拉伸状喷嘴内部横切面水-气相图。

图8(c)是圆形喷嘴内部横切面水-气相图。

图9(a)是矩形狭缝喷嘴的短边射流形状图。

图9(b)是矩形狭缝喷嘴的长边射流形状图。

图10(a)是椭圆形射流喷嘴的垂直截面图。

图10(b)Y形射流喷嘴的垂直截面图。

图10(c)圆弧形射流喷嘴的垂直截面图。

图10(d)流线型射流喷嘴的垂直截面图。

图10(e)锥形射流喷嘴的垂直截面图。

图10(f)直角形射流喷嘴的垂直截面图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，并结合图2(a)、图2(b)，液膜射流导引激光加工装置包括柱面聚焦透镜2，激光窗8，高压水腔，狭缝喷嘴4，高压水腔的顶部为平面耐压激光窗，高压水腔的底部开有狭缝喷嘴4，外部激光源发出柱状激光束1经柱面聚焦透镜2后，透过激光窗8投射到狭缝喷嘴4，狭缝喷嘴4以宝石体7为载体。柱状激光束1在激光窗8上的透射区域如标号3所示。高压水腔内的高压水经狭缝喷嘴4喷出形成液膜射流5，液膜射流5对准被加工的工件6，柱面透镜将矩形光斑激光束在狭缝喷嘴孔入口处聚焦成沿狭缝喷嘴长度方向的线光斑。聚焦后的入射激光束耦合入液膜射流5并在其前后两个表面全反射的作用下被导引至被加工工件6表面。传导至被加工工件表面的线光斑宽度与液膜射流厚度相等，而长度则与液膜射流喷嘴入口处入射线激光光斑相同。光强度在线光斑内较为均匀。

实施例2

结合图3、图4(a)、4(b)所示，高压水腔的顶部为平面耐压激光窗8，高压水腔的底部开有狭缝喷嘴4，外部激光源发出圆形激光束10经球形聚焦透镜12后，透过激光窗8投射到狭缝喷嘴4的中心，狭缝喷嘴4以宝石体7为载体。圆柱状激光束10在激光窗8上的透射区域如标号3所示。高压水腔内的高压水经狭缝喷嘴4喷出形成液膜射流5，液膜射流5对准被加工的工件6，激光束耦合入液膜射流5，沿垂直于狭缝喷嘴方向的激光束分量在液膜射流前后两个表面全反射的作用下被导引至被加工工件6表面。平行于狭缝喷嘴方向的激光束分量9则在液膜射流内随液膜射流的长度增加而向两侧边发散。因此，传导至被加工工件表面的线光斑宽度与液膜射流厚度相等，而光斑长度则随稳定的层流液膜射流长度增长而增加。光强度在线光斑内呈现中心强，两边弱的分布。

如图5所示的本装置包含结构件的示意图，包括平面耐压激光窗8、狭缝喷嘴宝石体7、位于平面耐压激光窗8与狭缝喷嘴宝石体7之间的高压水腔、喷嘴保持体23、高压水液路入口、高压水腔水密封圈22、光束聚焦透镜20、光路器件壳体21。喷嘴狭缝宽度可取但不限定于数十到数百微米。高压水压力的设定与喷嘴狭缝尺寸相关，其取值可设定但不限于5MPa～100MPa之间。采用较大尺寸的狭缝喷嘴可以设定为较小的供水压力。如图10所示，狭缝喷嘴可选射流喷嘴结构形状有Y形、椭圆形、圆弧形、流线型、直角形等。液路通过液动或气动增压缸增压以及蓄能器蓄水稳压。平面耐压激光窗采用镀膜石英玻璃材质或其他透光率良好的等效材料。窗口厚度取决于窗口尺寸和高压水压力。宝石狭缝喷嘴体可采用红宝石、蓝宝石、绿宝石或钻石材料。亦可采用具备可受控变形的压电材料以实现对液膜射流的控制。狭缝喷嘴孔口优选直角边缘以形成不附壁的层流状收缩液膜射流，不依附壁面顺流而出从而产生更加平稳的射流，如图7所示。优选狭缝喷嘴孔洞上下横截面两侧边为短直边连接向外倾斜长斜边的形式。宝石体以过盈配合嵌入喷嘴保持体，保证高压水不会从宝石体与喷嘴保持体间缝隙处泄漏。橡胶密封设计能抵御高压水压力以防止高压水进入光路器件壳体。高压水腔设计需尽量避免湍流的发生和热透镜效应。由于狭缝喷嘴孔口边缘到位于圆形宝石体周边进水口的不等距，沿狭缝方向流体压力梯度差会导致孔口液膜压力不一致，进而影响液膜射流稳定性。如图6所示，宝石体可采用圆形、椭圆外形或半圆连接直边的形式来降低沿狭缝方向流体压力梯度差。产生液膜射流的流体材料可以使用纯水或硅油等透明流体。在激光化学加工过程中亦可使用用于光化学反应的透明溶液，例如磷酸。激光器则根据需求选择产生红外或绿光的光纤或半导体激光器。

从图8喷嘴内部横切面水-气相图可以发现，在水压相同(位于30Mpa-60Mpa之间)的情况下，不同形状的喷嘴会产生不同形状的射流。当射流经过圆形喷嘴(如圆弧半径为0.15mm)，流线虽然不能发生突变，但能在各个方向相同的压力作用下朝中部均匀收缩，因此射流截面形状还为圆形，截面水气相图如图8(c)所示；而长宽比较小的矩形喷嘴(如矩形边长为0.6mm，长宽比为2)也可以产生收缩液膜，其截面出现“两头宽中间窄”的鞍形线，截面水气相图如图8(a)；而半圆拉伸型喷嘴(如长度为0.6mm，圆弧半径为0.15mm)会出现局部附壁现象，其截面水气相图如图8(b)所示，壁面的粗糙度会对射流的水气液面造成扰动，激光辐射能量易通过射流照到壁面，从而损伤喷嘴。但是中间平直的部分仍然可以用来引导激光光束，当喷嘴长宽比较小时，平直部分的有效长度较短，影响加工效率与质量。当采用矩形狭缝喷嘴时，如图9(a)和9(b)，狭缝长宽比为10，产生的射流与矩形喷嘴不同，不出现两端都收缩的鞍型线；但其水气截面相图与半圆拉伸形喷嘴水气截面相图(如图8(b))类似，在矩形狭缝喷嘴短边处水流会依附壁面流出，而在长边处则会产生缩流。中间平直段能很好的引导激光的反射，汇聚能量。考虑到喷嘴使用过程中的磨损问题，可以将矩形狭缝喷嘴的短边替换成圆弧，虽然如图8(b)所示，会减小有效引导激光的射流长度，但是相较于长宽比较大的狭缝喷嘴，可以忽略此段长度，并可以延长喷嘴的使用寿命。

采用液膜射流导引激光加工可以在不移动光斑的情况下实现线槽的加工。液膜射流导引线光斑沿其垂线方向的扫描运动则极易实现面加工能力。相较毛细管射流导引激光加工而言，在保证足够的激光功率密度的条件下，液膜射流导引激光加工可极大的提高线加工和面加工的能力。相较传统的“干”式线激光光斑加工，液膜射流导引激光加工所提供的水环境则为加工过程提供了冷却和清洗，有效的改进了加工质量。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，包括聚焦透镜，激光窗，高压水腔，狭缝喷嘴，所述高压水腔的顶部为所述激光窗，底部开有所述狭缝喷嘴，外部激光源发出激光束经所述聚焦透镜后，透过激光窗投射到所述狭缝喷嘴，所述高压水腔内的高压水经所述狭缝喷嘴喷出形成液膜射流，所述液膜射流对准被加工的工件，所述激光束以所述液膜射流为传输介质输出到工件上。

2.根据权利要求1所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述狭缝喷嘴位于所述聚焦透镜的焦平面。

3.根据权利要求2所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述狭缝喷嘴以宝石体为载体。

4.根据权利要求3所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述宝石体的截面为圆形、椭圆形或半圆拉伸形。

5.根据权利要求4所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，还包括光路器件壳体和喷嘴保持体，所述激光窗密封安装在光路器件壳体内，所述宝石体密封在所述喷嘴保持体内，所述高压水腔位于所述激光窗与喷嘴保持体之间。

6.根据权利要求1所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述高压水的压力取值为5MPa～100MPa。

7.根据权利要求1所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述激光窗在所述高压水腔的那一面为平面，所述宝石体在所述高压水腔的那一面为平面。

8.根据权利要求1所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述狭缝喷嘴的垂直截面为抛物线形、Y形、圆弧形、流线型、锥形或直角形。

9.根据权利要求1至8之一所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述激光束为矩形光斑激光束，所述聚焦透镜为柱面透镜。

10.根据权利要求1至8之一所述的液膜射流导引激光加工装置，其特征在于，所述激光束为圆形光斑激光束，所述聚焦透镜为球面透镜。