CN108262556A - 一种大功率耦合激光加工装置及激光加工系统 - Google Patents

一种大功率耦合激光加工装置及激光加工系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种大功率耦合激光加工装置和激光加工系统，所述装置包括窗口透镜和液体腔室；所述液体腔室包括聚焦透镜、支撑结构及液体缩流传导装置；所述液体缩流传导装置的内壁上涂有全反射涂层。该装置和系统利用大孔径将超大功率光束引入流体系统，提高了激光在流体系统入口的可靠性，可实现大功率激光高效耦合、大深度介入式加工，具有系统可靠性高、加工深度大、维护成本低等优点。

Description

一种大功率耦合激光加工装置及激光加工系统
技术领域
本申请涉及一种大功率耦合激光加工装置及激光加工系统，特别涉及可实现无热影响大深度激光加工的一种大功率耦合激光方法与装置，属于激光加工技术领域。
背景技术
目前，常规激光加工的效率和质量随着深度增加而快速下降，遭遇深度极限，且存在加工锥度。因此，实现低热影响、大深度介入式加工是激光加工界的重大问题。
公知的短脉冲干式激光加工为主，其在浅层材料的瞬时去除效率和热影响控制方面是有优势，但仍存在突出问题：孔加工有锥度，深度能力欠缺，大深度(>5毫米)加工时丧失短脉冲优势。
为了解决激光加工过程中材料的热影响，拓展加工深度，SYNOVA公司展开了微射流型水助激光加工技术。以SYNOVA公司为代表的微射流型水助激光加工技术对多种材料的穿透性切割具有优异的加工性能，相对干式激光加工具有加工锥度明显减小、加工热影响小、表面清洁等一系列优势。但该技术很难保持大深度加工的高效率，深度能力在10毫米左右遇到极限；另外，该技术为了保证可靠性，激光传输强度不宜太高，限制了耦合功率的提高，影响加工速度。
GE全球研发中心发明了液核光纤激光加工技术，该技术使用特殊的微管通水传光，管壁材料的光导系数低于纯净水，可以实现光的全反射传输，可以在空气中射出层流水柱，等效于SYNOVA技术。但同时，其固体管壁允许光纤弯曲，可以深入狭窄空间或在水下进行加工。由于端部去除物对光的散射效应以及光纤头部过于接近加工区域导致的光纤易损性，介入式加工至今没有实现，最好记录是钻入材料约3毫米。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所张文武团队发明专利“一种激光加工头及其应用、激光加工系统及方法”，解决了激光的高能量密度耦合与系统可靠性之间的矛盾问题；发明专利“一种旋转式水导激光加工系统及方法”，可以进行大深度激光加工。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种可实现大功率耦合激光加工装置，该装置可实现大功率激光高效耦合、大深度介入式加工，具有系统可靠性高、加工深度大、维护成本低等优点。
所述大功率耦合激光加工装置，其特征在于，包括窗口透镜和液体腔室；所述液体腔室包括聚焦透镜、支撑结构及液体缩流传导装置；所述液体缩流传导装置的内壁上涂有全反射涂层。
可选地，所述全反射涂层材料的折射率小于内部流体物质的折射率。
可选地，所述流体物质为水，全反射涂层材料为聚四氟乙烯。
可选地，所述窗口透镜和液体腔室的几何中心均位于主光轴上，所述聚焦透镜位于激光光路位于窗口透镜的下行方向。
可选地，所述聚焦透镜固定在支撑结构上，且固定位置密封。
可选地，所述支撑结构侧壁上沿激光光路于聚焦透镜的下行方向设有注流口，流体物质沿注流口注入；所述注流口沿支撑结构侧壁周向均匀分布。
可选地，所述液体缩流传导装置沿激光光路方向固定在所述支撑结构注流口的下行方向；
所述液体缩流传导装置入口口径大于其出口口径，口径沿激光光路方向逐渐减小；所述液体缩流传导装置的结构旋转中心与主光轴一致；
所述液体缩流传导装置的出口，与主光轴呈夹角α圆滑倾斜，倾斜后两侧仍然保持对称平行，且出口内凹一侧的内凹距离小于口径的1/2。
可选地，所述液体缩流传导装置设计为固定连接的液体缩流部件和旋转传导部件两部分，并保持旋转中心与主光轴同轴。
可选地，所述旋转传导部件的宽度D1小于工件加工宽度D2，所述旋转传导部件可不断延伸至工件内部进行深度加工。
根据本申请的另一个方面，提供了一种大功率耦合激光加工系统，其特征在于，所述系统包含控制系统、激光器、光学元件、旋转动力单元、流体传输单元以及上述任一激光加工装置；
所述控制系统对激光器、流体传输单元及旋转动力单元进行系统控制。
可选地，所述激光器通过光学元件将激光传导进入所述激光加工装置，并依次通过所述激光加工装置内的窗口透镜处理、聚焦透镜聚焦、液体腔室内与流体耦合、液体缩流传导装置缩流及全反射涂层反射到达工件表面，进行材料去除加工。
可选地，所述流体传输单元与所述激光加工装置的液体腔室侧壁上的注流口相连，流体物质在高压作用下注入液体腔室，高压流体与激光一同经液体缩流传导装置到达工件表面。
可选地，所述旋转动力单元与所述液体缩流传导装置接触连接，为液体缩流传导装置提供旋转动力。
可选地，所述旋转动力单元与所述液体缩流传导装置通过齿轮啮合的方式连接。
本申请能产生的有益效果至少包括：
1)本申请所提供的激光加工装置，利用大孔径将超大功率光束引入流体系统，提高了激光在流体系统入口的可靠性。
2)本申请所提供的激光加工装置，利用流体系统内部涂有的低折射率材料，将光线全反射汇聚到微米尺度小孔内；再利用流体系统出口位置的弯曲，实现材料的旋转式大深度加工。
3)本申请所提供的激光加工系统，能够实现超大功率的可靠、高效耦合，实现激光加工千瓦级功率的微米级尺度可靠、高效耦合。
4)本申请所提供的激光加工系统，具有大深度介入式加工能力，突破传统激光加工的深度极限。
5)本申请所提供的激光加工系统，能够实现超大功率与超大深度激光加工的高效集成。
附图说明
图1为本申请一种具体实施方式的大功率耦合水导激光加工装置的水导激光加工头结构示意图。
图2为本申请一种具体实施方式的大功率耦合水导激光加工装置的水导激光加工头结构的可选示意图。
图3为本申请一种具体实施方式的大功率耦合水导激光加工系统的加工过程示意图。
图4为本申请一种具体实施方式的大功率耦合水导激光加工系统示意图。
部件和附图标记列表：
附图标记 部件名称
1 窗口透镜
2 聚焦透镜
3 支撑结构
4 液体腔室
5 液体缩流传导装置
6 全反射涂层
7 液体缩流部件
8 旋转传导部件
9 工件
10 激光加工系统
11 控制系统
12 激光器
13 光学元件
14 旋转动力单元
15 流体传输单元
16 激光加工装置
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和部件均通过商业途径购买。
实施例1
本申请一种大功率耦合激光加工系统与装置的材料加工过程如图1和图3及图4所示。本实施例中流体为水，全反射涂层材料为聚四氟乙烯。
首先通过控制系统11，打开流体传输单元15的阀门，使具有一定高压的流体物质通过液体腔室4侧壁上注流口进入液体腔室4；另外，控制系统11控制旋转动力单元14启动，在旋转动力单元14的带动下，液体缩流传导装置5以一定速度旋转；通过调节流体压力、流速和旋转速度等方法，确保激光加工装置16出口流体为稳定层流；最后，通过控制系统11开启激光器12，利用光学元件13反射传导，将激光导入激光加工装置16，优选地，进入激光加工装置16的激光光束与激光加工装置16上行端面垂直，且光束轴线与激光加工装置16的几何轴线重合；激光在激光加工装置16中，依次通过窗口透镜1处理、聚焦透镜2聚焦、液体腔室4与流体耦合、液体缩流传导装置5缩流及全反射涂层6反射等到达工件9表面，进行材料去除加工。
液体缩流传导装置5的出口，与主光轴有一定夹角的光滑倾斜，倾斜后两侧仍然保持对称平行，且出口内凹一侧不超过主光轴(即内凹一侧内凹距离小于口径的1/2)，以确保激光在旋转加工过程中实现完全覆盖。
随着加工的继续进行，激光加工装置16可沿加工方向运动到工件9内部，实现对工件的高效、稳定、无热影响去除加工。
实施例2
为了降低制造难度，提高方案的可行性，可将液体缩流传导装置5拆分为液体缩流部件7和旋转传导部件8两部分。材料加工过程如图2和图3及图4所示。
首先通过控制系统11，打开流体传输单元15的阀门，使具有一定高压的流体物质通过液体腔室4侧壁上注流口进入液体腔室4；另外，控制系统11控制旋转动力单元14启动，在旋转动力单元14的带动下，旋转传导部件8以一定速度旋转；通过调节流体压力、流速和旋转速度等方法，确保激光加工装置16出口流体为稳定层流；最后，通过控制系统11开启激光器12，利用光学元件13反射传导，将激光导入激光加工装置16，优选地，进入激光加工装置16的激光光束与激光加工装置16上行端面垂直，且光束轴线与激光加工装置16的几何轴线重合；激光在激光加工装置16中，依次通过窗口透镜1处理、聚焦透镜2聚焦、液体腔室4与流体耦合、液体缩流部件7缩流、全反射涂层6反射及旋转传导部件8旋转等到达工件9表面，进行材料去除加工；
液体缩流传导装置5的出口，与主光轴有一定夹角的光滑倾斜，倾斜后两侧仍然保持对称平行，且出口内凹一侧不超过主光轴(即内凹一侧内凹距离小于口径的1/2)，以确保激光在旋转加工过程中实现完全覆盖。
随着加工的继续进行，激光加工装置16中的旋转传导部件8可沿加工方向运动到工件9内部，实现对工件9的高效、稳定、无热影响去除。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种大功率耦合激光加工装置，其特征在于，所述装置包括窗口透镜和液体腔室；所述液体腔室包括聚焦透镜、支撑结构及液体缩流传导装置；
所述液体缩流传导装置的内壁上涂有全反射涂层。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述全反射涂层材料的折射率小于内部流体物质的折射率；
优选地，所述流体物质为水，全反射涂层材料为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述窗口透镜和液体腔室的几何中心均位于主光轴上，所述聚焦透镜位于激光光路位于窗口透镜的下行方向。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦透镜固定在支撑结构上，且固定位置密封。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑结构侧壁上沿激光光路于聚焦透镜的下行方向设有注流口，流体物质沿注流口注入；所述注流口沿支撑结构侧壁周向均匀分布。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体缩流传导装置沿激光光路方向固定在所述支撑结构注流口的下行方向；
所述液体缩流传导装置入口口径大于其出口口径，口径沿激光光路方向逐渐减小；所述液体缩流传导装置的结构旋转中心与主光轴一致；
所述液体缩流传导装置的出口，与主光轴呈夹角α圆滑倾斜，倾斜后两侧仍然保持对称平行，且出口内凹一侧的内凹距离小于口径的1/2。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体缩流传导装置设计为固定连接的液体缩流部件和旋转传导部件两部分，并保持旋转中心与主光轴同轴；
优选地，所述旋转传导部件的宽度D1小于工件加工宽度D2，所述旋转传导部件可不断延伸至工件内部进行深度加工。
8.一种大功率耦合激光加工系统，其特征在于，所述系统包含控制系统、激光器、光学元件、旋转动力单元、流体传输单元以及权利要求1至9任一项所述的激光加工装置；
所述控制系统对激光器、流体传输单元及旋转动力单元进行系统控制。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述激光器通过光学元件将激光传导进入所述激光加工装置，并依次通过所述激光加工装置内的窗口透镜处理、聚焦透镜聚焦、液体腔室内与流体耦合、液体缩流传导装置缩流及全反射涂层反射到达工件表面，进行材料去除加工；
优选地，所述流体传输单元与所述激光加工装置的液体腔室侧壁上的注流口相连，流体物质在高压作用下注入液体腔室，高压流体与激光一同经液体缩流传导装置到达工件表面。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述旋转动力单元与所述液体缩流传导装置接触连接，为液体缩流传导装置提供旋转动力；
优选地，所述旋转动力单元与所述液体缩流传导装置通过齿轮啮合的方式连接。
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