CN108247201B - 一种高压水束发生装置及具有该装置的水导激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压水束发生装置及水导激光系统，所述高压水束发生装置包括：射流匀化模块，其外侧与水管接头连接，接收从所述水管接头流入的水，并将水在内部进行均匀分布后，输送至出水口处；喷嘴，其安装在所述出水口处，将所述出水口处的水喷出，形成高压水束；透光玻璃，其安装在所述喷嘴后部，激光透过所述透光玻璃后进入所述高压水束；所述水导激光系统，具有所述高压水束发生装置。这样，射流匀化模块将水管接头内输送的水进行均匀分布后再输送，使得内部的水压均匀分布，从而消除了水压集中分布造成的抖动现象，大大提高了加工精度及加工效率，从而大大缩短了加工时间。

Description

一种高压水束发生装置及具有该装置的水导激光系统

技术领域

本发明涉及水导激光技术领域，具体涉及一种高压水束发生装置及具有该装置的水导激光系统。

背景技术

随着精密和超精密加工技术的不断发展，激光与其它加工技术的复合逐渐成为加工制造领域的主流技术。水导激光加工技术将特定波长的聚焦激光束导入作为光纤的高速流动的水束，激光在水与空气界面发生多次全反射后形成高能量束流射到工件表面，实现对工件的微细加工。与传统激光微加工技术相比较，由于在加工过程中水束光纤射流对激光能量有均匀化作用、对工件有冷却、冲洗作用,因而水导引激光微加工技术具有加工精度高、加工应力极小、热影响区小、无热熔渣、加工边缘整齐和加工效率高等优点。

现有的水导激光加工技术，其高压水束的出水口处，水压集中在进水管的连接口一侧，容易导致装置的抖动或者高压水束的抖动现象，大大影响了加工精度和加工时间。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，首先提供一种高压水束发生装置，其包括：

射流匀化模块，其外侧与水管接头连接，接收从所述水管接头流入的水，并将水在内部进行均匀分布后，输送至出水口处；

喷嘴，其安装在所述出水口处，将所述出水口处的水喷出，形成高压水束；

透光玻璃，其安装在所述喷嘴后部，激光透过所述透光玻璃后进入所述高压水束。

较佳的，所述射流匀化模块包括：

进水腔，其外部与所述水管接头连接，内部设置有环形流道，使得进入内部的高压水呈环形均匀分布；

过渡腔，其内部中空，设置在所述进水腔内侧，所述过渡腔的腔体外壁上均匀设置有多个通孔，所述通孔与所述进水腔内部环形流道连接；

核心部件，其设置在所述过渡腔内侧，并与所述通孔连接，将流过所述通孔的水导引至所述出水口处。

较佳的，所述射流匀化模块还包括喷嘴座，所述喷嘴座与所述核心部件连通，其上设置有所述出水口处，所述喷嘴固定在所述喷嘴座上。

较佳的，所述喷嘴座与所述过渡腔连接，将所述核心部件固定在所述喷嘴座与所述过渡腔围成的空间内。

较佳的，所述核心部件为环形结构，其外壁上部设有环形流道，与所述通孔连通。

较佳的，所述核心部件外壁下部设置有垂直槽，所述垂直槽一端与上部的环形流道连通，另一端与所述喷嘴座连通。

较佳的，所述喷嘴座中部设置有环形凸起，所述环形凸起上设置有水平槽，所述水平槽一端与所述环形凸起的外侧连通，另一端与所述环形凸起的内侧连通。

较佳的，所述喷嘴座上所述环形凸起的外侧与所述过渡腔的接触位置，设置有第一密封圈。

较佳的，所述环形凸起中心处为所述出水口，所述喷嘴设置在所述出水口处。

其次提供一种具有上述所述高压水束发生装置的水导激光系统，其还包括：

供液子系统，其通过所述水管接头与所述高压水束发生装置连通，对所述高压水束发生装置进行供水；

激光器，其用以产生高功率激光；

光路调整子系统，其与所述激光器、所述高压水束发生装置连接，对激光的路径进行调整，使激光射入所述高压水束发生装置形成高压水束光纤。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：这样，射流匀化模块将水管接头内输送的水进行均匀分布后再输送，使得内部的水压均匀分布，从而消除了水压集中分布造成的抖动现象，大大提高了加工精度及加工效率，从而大大缩短了加工时间；所述高压水束发生装置产生的微细水束(高压水束)具有更长的稳定长度与更细的直径；当激光耦合进入微细水束之后，能够传播更长的距离，水束光纤的能量密度会更高，工作距离会更长，从根本上提高了水束光纤的加工效率和加工柔性；并且，高压的微细水束会对加工区域产生更强的冲刷作用，这一方面更高效的抑制了金属材料表面堆积的液层的形成，防止液层对激光的折射；另一方面加快了被加工材料表面液体的更新速率，进而提高了被加工材料表面的热传导速率，最大程度上抑制了激光加工过程中的热累积现象，从而提高了加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明高压水束发生装置的剖面图；

图2是本发明高压水束发生装置的爆炸图；

图3是本发明高压水束发生装置正面的爆炸图；

图4是本发明水导激光系统的结构图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

如图1结合图2、图3所示，其为；其中，所述高压水束发生装置10包括：

射流匀化模块1001，其外侧与水管接头9连接，接收从所述水管接头9流入的水，并将水在内部进行均匀分布后，输送至出水口处；

喷嘴1003，其安装在所述出水口处，将所述出水口处的水喷出，形成高压水束；

透光玻璃1002，其安装在所述喷嘴1003后部，并与所述喷嘴1003密封隔离，激光透过所述透光玻璃1002后进入所述高压水束。

这样，射流匀化模块1001将水管接头9内输送的水进行均匀分布后再输送，使得内部的水压均匀分布，从而消除了水压集中分布造成的抖动现象，大大提高了加工精度及加工效率，从而大大缩短了加工时间。

实施例2

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与其不同之处在于，所述射流匀化模块1001包括：

进水腔101，其外部与所述水管接头9连接，内部设置有环形流道，使得进入内部的高压水能够呈环形均匀分布；

过渡腔104，其内部中空，设置在所述进水腔101内侧，所述过渡腔104的腔体外壁上均匀设置有多个通孔，所述通孔与所述进水腔101内部环形流道连接；

核心部件106，其设置在所述过渡腔104内侧，并与所述通孔连接，将流过所述通孔的水导引至出水口处。

这样，水从水管接头9进入后，先进入环形流道，在环形流道内均匀分布，使得水压不再集中，均匀分散；然后通过过渡腔104内的通孔，进入过渡腔104内部，由于通孔的均匀分布，使得进入过渡腔104内的水的水压保持均匀；最后通过核心部件106的引导，进入出水口处；这样，使得水管接头9内输送的水均匀分布，消除了水压集中分布造成的抖动现象。

其中，所述通孔数量为6个，这样输送效率高，且过渡腔104的结构性能好，加工也更加方便。

实施例3

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与实施例2不同，为基于实施例1的另一实现方式，其中，所述射流匀化模块1001内部均匀分布有蜂窝状的水流通道(图中未画出)，该水流通道一端与水管接头9连接，另一端与出水口连接，从而使得从水管接头9内流入的水均匀进入各个水流通道，达到消除水压集中分布现象的目的。

另外，所述射流匀化模块1001内部还可以设有环形流道，水从水管接头9流入后，先流入环形流道内进行均匀分布后，再通过环形流道下部均匀设置的蜂窝状的水流通道流到出水口处，从而使得从水管接头9内流入的水均匀进入各个水流通道，达到消除水压集中分布现象的目的。

其中，环形流道下部均匀设置的蜂窝状的水流通道为竖直通道，这样流速更高，且竖直通道不会对水的流速产生不必要的阻碍。

实施例4

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与其不同之处在于，所述射流匀化模块1001还包括喷嘴座110，所述喷嘴座110与所述核心部件106连通，其上设置有出水口处，所述喷嘴1003固定在所述喷嘴座110上。

所述喷嘴座110与所述过渡腔104连接，从而将喷嘴座110固定在所述过渡腔104上。所述核心部件106设置在所述过渡腔104内侧，这样，就将所述核心部件106也固定在了所述喷嘴座110与所述过渡腔104围成的空间内，从而使得核心部件106与喷嘴座110更容易实现水流通道的导通，且拆卸方便。

其中，所述喷嘴座110与所述过渡腔104通过螺栓连接，这样拆卸、组装方便，便于更换零件。

实施例5

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与其不同之处在于，所述核心部件106为环形结构，其外壁与所述过渡腔104的内壁连接；所述核心部件106外壁设有环形流道以及垂直槽，所述环形流道设置在所述核心部件106上部，与所述过渡腔104的所述通孔连接，用于将流入的水重新呈环形均匀分布；所述垂直槽为多个，并均匀设置在所述核心部件106外壁上；所述垂直槽一端与所述核心部件106的环形流道连通，另一端与所述喷嘴座110连通，这样，便于将环形均匀分布的水导入喷嘴座110，且在导入的过程中保持水压的均匀分布。

这样，使得水从水管接头9流入射流匀化模块1001后，至少经过了两级匀化，使得单侧入射的水流在装置内部最终形成均匀环流，这样能够减小了因为水压集中在一侧导致的装置抖动现象以及微细水束抖动现象，提高了高水压工作环境下结构的刚度以及微细水束(高压水束)的稳定性。

实施例6

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与其不同之处在于，所述喷嘴座110中部设置有环形凸起，所述环形凸起上设置有水平槽，所述水平槽一端与所述环形凸起的外侧连通，一端与所述环形凸起的内侧连通，从而形成打通所述环形凸起内外的水流通道。

其中，所述水平槽为多个，且均匀分布在所述环形凸起上。

其中，所述喷嘴座110环形凸起的外侧设置有第一密封圈109，所述第一密封圈109设置在所述喷嘴座110与所述过渡腔104的结合处，对其进行密封；这样，在所述第一密封圈109和所述环形凸起的间隙处形成一容纳空间，该容纳空间与所述垂直槽以及所述水平槽连通，从而使流入此容纳空间的水再次均匀分布，进一步提高高水压工作环境下结构的刚度以及微细水束(高压水束)的稳定性。

所述喷嘴座110的环形凸起中心处为所述出水口，所述喷嘴1003设置在所述出水口处。

实施例7

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与其不同之处在于，所述核心部件106内部为开口向上的圆柱槽，所述圆柱槽底部具有小孔，所述小孔与喷嘴座110的所述出水口位置对应，供光线穿过。

所述透光玻璃1002设置在所述圆柱槽底部，所述射流匀化模块1001还包括压紧件107，所述压紧件107设置在所述圆柱槽内，将所述透光玻璃1002压紧在所述核心部件106上；这样，激光可以从透光玻璃1002上端面入射，透过该透光玻璃1002从喷嘴座110的出水口处射出，同时，水从所述透光玻璃1002下端面流动，进入所述出水口处射出。

其中，所述透光玻璃1002与所述压紧件107接触部分设置有第二密封圈108，对其进行密封，防止水从该处渗透。

其中，所述透光玻璃1002为镀有增透膜的石英玻璃，这样，透光效果更好。

其中，所述增透膜为1030nm增透膜，这样加工方便，透光效果好。

其中，所述喷嘴1003为红宝石喷嘴1003，这样，其强度更高，且可以在其表面设置直径更小的射流微孔；这样能够保证产生的微细水束具有更高的工作压力和更细的直径。

实施例8

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例与其不同之处在于，所述进水腔101与所述过渡腔104的上部接触部分设置有第三密封圈103，以达到密封效果，防止高压水的渗透。

其中，所述进水腔101与所述过渡腔104的下部解除部分设置有第四密封圈102，以达到密封效果，防止高压水的渗透。

其中，所述过渡腔104与所述核心部件106的接触部分设置有第五密封圈105以达到密封效果，防止高压水的渗透。

其中，所述过渡腔104与所述进水腔101通过螺栓连接，这样拆卸、组装方便，便于更换零件；结合所述密封圈的设置，能够保证多次拆卸组装后，高压水入射下良好的结构密封性。

本申请中，所述高压水束发生装置10产生的微细水束(高压水束)具有更长的稳定长度与更细的直径。当激光耦合进入微细水束之后，能够传播更长的距离，水束光纤的能量密度会更高，工作距离会更长，从根本上提高了水束光纤的加工效率和加工柔性。并且，高压的微细水束会对加工区域产生更强的冲刷作用，这一方面更高效的抑制了金属材料表面堆积的液层的形成，防止液层对激光的折射；另一方面加快了被加工材料表面液体的更新速率，进而提高了被加工材料表面的热传导速率，最大程度上抑制了激光加工过程中的热累积现象，从而提高了加工质量。

另外，入射的水流在装置内部可以充分均匀化，最大程度减小了因为水压集中在一侧导致的装置抖动现象以及微细水束抖动现象。；

该装置极易方便拆卸和更换零件，并且能够保证多次拆卸组装后，高压水入射下良好的结构密封性。

该装置中，单侧入射的水流在装置内部最终形成均匀环流，这样能够减小了因为水压集中在一侧导致的装置抖动现象以及微细水束抖动现象，提高了高水压工作环境下结构的刚度以及微细水束的稳定性。

该装置中采用了强度更高的红宝石玻璃作为喷嘴1003材料，并且其表面有直径更小的射流微孔。这样能够保证产生的微细水束具有更高的工作压力和更细的直径。

实施例9

如上述所述的高压水束发生装置10，本实施例为包括所述高压水束发生装置10的水导激光系统，如图4所示，其中，所述水导激光系统还包括：

供液子系统2，其通过水管接头9与所述高压水束发生装置10连通，对所述高压水束发生装置10进行供水；

激光器3，其用以产生高功率激光；

光路调整子系统5，其与所述激光器3、所述高压水束发生装置10连接，对激光的路径进行调整，使激光射入所述高压微细水束发生装置形成微细水束光纤。

这样，可以产生高功率的微细水束光纤，对外部零件等进行加工，且加工精度高，速度快。

其中，所述激光为飞秒激光，飞秒激光具有极高峰值功率密度、超短脉冲宽度，加工效果更好。

实施例10

如上述所述的水导激光系统，本实施例与其不同之处在于，所述水导激光系统还包括在线监测子系统4，其对激光与高压水束的同轴度进行监测。这样，可以通过该子系统实时检测激光与高压水束的同轴度，从而进行进一步调整，保证水导激光的高效率运行。

实施例11

如上述所述的水导激光系统，本实施例与其不同之处在于，所述供液子系统2包括依次连接的水箱201、Y型过滤器202、高压柱塞泵204、水管接头9，高压柱塞泵从水箱中抽水，并经过Y型过滤器过滤后，通过水管接头9供给所述高压水束发生器。

其中，所述供液子系统2还包括三相变频电机203，其与所述高压柱塞泵连接，用于带动所述高压柱塞泵。

其中，所述供液子系统2还包括蓄能器205和安全阀206，所述高压柱塞泵、所述蓄能器、所述安全阀依次连接，以便于保护所述高压柱塞泵。

蓄能器及安全阀保持开启，防止初始压力设定过高或水路中存在不通畅现象时保护高压柱塞泵。

其中，所述供液子系统2还包括压力表，对整体水路压力进行实时监控。

其中，所述水箱与所述安全阀连通，当从高压微细水束发生装置内部压力缓慢上涨时，内部无法由喷嘴1003出射的水将经由连接高压微细水束发生装置的水管接头9返回到供液子系统2中，回流的水会从安全阀排入到水箱中供循环使用。

其中，所述供液子系统2还包括双向过滤器，所述双向过滤器设置在所述安全阀与所述水管接头9的通路上，用于实现对双向水流的过滤，保证水路中不存在杂质。

实施例12

如上述所述的水导激光系统，本实施例与其不同之处在于，所述光路调整子系统5包括依次连接的准直镜501、扩束镜502、反射镜503；准直镜将所述激光器3产生的激光准直，变为平行出射；扩束镜将激光的光斑直径扩大；反射镜组将激光的空间位置转变为更适合聚焦进入高压水束发生装置10的位置。

扩束镜将激光的光斑直径扩大，便于后续聚焦镜将激光光斑聚焦至更小的尺寸。

其中，所述激光器3产生峰值平均功率15W，波长1030nm，光斑直径4mm的飞秒激光。这样，激光的功率更高，光斑直径更小，产生的高压水束更细、更长、更稳定。

其中，扩束镜将激光的光斑直径扩大至10mm。

实施例13

如上述所述的水导激光系统，本实施例与其不同之处在于，所述在线监测子系统4包括依次连通的CCD403、光学镜头404以及同轴光源405；所述同轴光源用于通过光路进入所述高压水束发生装置10后照亮其腔体内部；这样，结合CCD、光学镜头和同轴光源，可以对飞秒激光焦点与喷嘴1003的同轴度进行实时监测。

所述在线监测子系统4还包括衰减片401，对反射的激光进行削弱，防止这部分激光能量对后端CCD和光学镜头造成永久性损害。

所述在线监测子系统4还包括滤光片402，对激光进行滤光，将其转换成CCD和光学镜头能够识别的光学信号。

当整形后的飞秒激光通过分束镜时，一部分激光会反射至在线监测子系统4中。为防止这部分激光能量对后端CCD和光学镜头造成永久性损害，衰减片会削弱这部分激光的绝大部分能量。剩余的激光经过滤光片后，变成CCD和光学镜头能够识别的光学信号。

其中，CCD(Charge-coupled Device)为电荷耦合元件。

实施例14

如上述所述的水导激光系统，本实施例与其不同之处在于，所述水导激光系统还包括聚焦镜7，对激光进行聚焦。

所述水导激光系统还包括分束镜6，将激光进行分束，使其同时进入高压水束发生装置10和在线监测子系统4中，以实现在线监测子系统4的实时监测。

所述水导激光系统还包括同轴调控装置8，其与所述高压水束发生装置10连接，对激光与高压水束的同轴度进行调控。

同轴光源发出的光经过分束镜、聚焦镜7、光路轴线与水束光纤轴线的同轴调控装置8后，可以照亮高压微细水束发生装置10腔体内部。

实施例15

如上述所述的水导激光系统，在使用时包含以下使用步骤：

打开整体系统电源。

打开飞秒激光器3，输出低功率激光，通过光路调整系统以及分束镜，让激光准确垂直入射到聚焦镜中心；打开在线监测子系统4，将激光中心调整至CCD中心；关闭激光器3。

将高压水束发生装置10按照如图所示组装，并与光路轴线与水束光纤轴线的同轴调控装置通过螺栓连接；调节聚焦镜的位置，借助在线监测子系统4，保证激光焦点平面与红宝石喷嘴1003上表面重合。

将供液子系统2与高压微细水束发生装置通过水管接头9快速连接；打开供液系统，向水箱中注入蒸馏水；设定三相变频电机工作频率处于低频率状态，观察高压水束发生装置10是否稳定渗漏以及水束光纤是否垂直稳定出射。

若出现渗漏或水束偏移，则关闭供液子系统2，更换渗漏处橡胶垫圈(密封圈)和红宝石喷嘴1003，重新组装高压水束发生装置10，重复步骤，直至高压水束发生装置10稳定工作以及水束光纤垂直稳定出射；将光学镜头中显示的红宝石喷嘴1003中心调整至CCD中心。

设定三相变频电机工作频率处于高频率状态，打开激光器3，输出低功率激光，再次观察激光中心是否与CCD重合，以防安装高压水束发生装置10过程中对光学部件位置带来的影响；若不重合，则调整光路轴线与水束光纤轴线的同轴调控装置使得激光中心与微细水束重新重合；待微细水束光纤稳定之后，调节激光器3，输出高功率激光，形成可以用于加工工件的高压微细水束光纤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高压水束发生装置，其特征在于，包括：

射流匀化模块，其外侧与水管接头连接，接收从所述水管接头流入的水，并将水在内部进行均匀分布后，输送至出水口处；

喷嘴，其安装在所述出水口处，将所述出水口处的水喷出，形成高压水束；

透光玻璃，其安装在所述喷嘴后部，激光透过所述透光玻璃后进入所述高压水束；

所述射流匀化模块包括：

进水腔，其外部与所述水管接头连接，内部设置有环形流道，使得进入内部的高压水呈环形均匀分布；

过渡腔，其内部中空，设置在所述进水腔内侧，所述过渡腔的腔体外壁上均匀设置有多个通孔，所述通孔与所述进水腔内部环形流道连接；

核心部件，其设置在所述过渡腔内侧，并与所述通孔连接，将流过所述通孔的水导引至所述出水口处；

所述核心部件为环形结构，其外壁与所述过渡腔的内壁连接；所述核心部件外壁设有环形流道以及垂直槽，所述环形流道设置在所述核心部件上部，与所述过渡腔的所述通孔连接，用于将流入的水重新呈环形均匀分布；所述垂直槽为多个，并均匀设置在所述核心部件外壁上。

2.如权利要求1所述的高压水束发生装置，其特征在于，所述射流匀化模块还包括喷嘴座，所述喷嘴座与所述核心部件连通，其上设置有所述出水口，所述喷嘴固定在所述喷嘴座上。

3.如权利要求2所述的高压水束发生装置，其特征在于，所述喷嘴座与所述过渡腔连接，将所述核心部件固定在所述喷嘴座与所述过渡腔围成的空间内。

4.如权利要求2所述的高压水束发生装置，其特征在于，所述核心部件外壁下部设置所述垂直槽，所述垂直槽一端与上部的环形流道连通，另一端与所述喷嘴座连通。

5.如权利要求3-4中任一所述的高压水束发生装置，其特征在于，所述喷嘴座中部设置有环形凸起，所述环形凸起上设置有水平槽，所述水平槽一端与所述环形凸起的外侧连通，另一端与所述环形凸起的内侧连通。

6.如权利要求5所述的高压水束发生装置，其特征在于，所述喷嘴座上所述环形凸起的外侧与所述过渡腔的接触位置设置有第一密封圈。

7.如权利要求5所述的高压水束发生装置，其特征在于，所述环形凸起中心处为所述出水口，所述喷嘴设置在所述出水口处。

8.一种具有权利要求1-7中任一所述高压水束发生装置的水导激光系统，其特征在于，还包括：

供液子系统，其通过所述水管接头与所述高压水束发生装置连通，对所述高压水束发生装置进行供水；

激光器，其用以产生高功率激光；

光路调整子系统，其与所述激光器、所述高压水束发生装置连接，对激光的路径进行调整，使激光射入所述高压水束发生装置形成高压水束光纤。