CN108581196B - 水导激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水导激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，该装置包括：透光壁，透光壁围成流体腔室；封装气体层，封装气体层设置于透光壁的外侧；其中，流体腔室的截面面积沿激光的传输方向逐渐减小，且流体腔室内通有流动的流体，激光与流体耦合后出射；激光在透光壁与封装气体层相接界面上发生全反射。激光在该装置中与流体进行耦合时，能实现折射和全反射，保证输出激光射流的功率，同时所形成气液界面稳定，保证激光在水流中耦合的稳定性。本发明的另一方面还提供了该装置的应用、激光加工系统及方法。

Description

水导激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种水导激光加工装置与方法，属于激光加工领域。

背景技术

目前，激光加工技术已经日益成熟，这项特种加工技术广泛应用于航空航天、汽车行业，但现有激光加工技术还无法运用如陶瓷基复合材料等难加工材料，亟待激光加工技术对此类难加工材料的加工实现突破。

常规干式激光加工技术虽然加工速度极快，但是加工材料表面的热影响区较大，严重影响加工深度的进一步加深。此类问题严重制约了激光加工技术向微纳加工领域迈进。为了减少热影响且保证加工深度，水辅助激光复合加工技术应运而生。

欧洲SYNOVA公司发明微射流型水助激光加工技术。利用水冷却和激光加工效应相结合，能够加工出几乎无热影响、加工锥度小的微孔。但该技术很难保持大深度加工的高效率，加工极限深度仅为10毫米左右；为了提高加工深度就需要增大激光加工功率密度，而提高激光加工功率密度就需要缩小水流直径，但随着水流直径的缩小，大功率激光就很难以与层流水柱耦合，水流无法发挥水冷降温的作用。这一矛盾严重制约功率密度的提升。

美国GE全球研发中心发明了液核光纤激光加工技术，该技术通过使用折射率低于纯净水的空管，形成了类似于水流与空气界面，激光通过该空管传导实现加工。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。由于该材料的熔点只有400℃，当深入加工区域内，容易受激光作用物质产生的高温高热等离子体及加工残渣损害，需频繁更换该空管，增加加工成本，到目前为止该方法较难用于实践生产。

如CN201410586246.1中公开了一种激光加工头及其应用、激光加工系统及方法，所提出的气包水辅助的激光加工头虽然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，但该加工头较难保证加工过程中气液界面稳定存在，加工稳定性难以保证。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种能保证水流界面的稳定性的水导激光加工装置。激光在该装置中与流体进行耦合时，能实现折射和全反射，保证输出激光射流的功率，同时所形成气液界面稳定，保证激光在水流中耦合的稳定性。

所述水导激光加工装置，包括：透光壁，所述透光壁围成流体腔室；

封装气体层，所述封装气体层设置于所述透光壁的外侧；

其中，所述流体腔室的截面面积沿所述激光的传输方向逐渐减小，且所述流体腔室内通有流动的流体，所述激光与所述流体耦合后出射；

所述激光在所述透光壁与所述封装气体层相接界面上发生全反射。

优选的，水导激光加工装置还包括外层结构，所述外层结构设置于所述透光壁的外侧，所述外层结构的内壁与所述透光壁的之间形成所述封装气体层。

优选的，水导激光加工装置还包括至少一个注流口，所述注流口开设于所述透光壁上并向所述流体腔室内注入流体。

优选的，水导激光加工装置还包括瓶体，所述透光壁设置于所述瓶体内。

优选的，水导激光加工装置还包括透明窗口，所述透明窗口设置于所述瓶体的入光面上；

所述水导激光加工装置还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜与所述瓶体同轴地设置于所述透明窗口的顶上；

所述聚焦透镜为长聚焦透镜。

优选的，所述水导激光加工装置还包括至少一个注流口，各所述注流口两两相对垂直所述瓶体的轴线开设于所述瓶体上，并向所述流体腔室内注入流体；所述注流口设置于所述透明窗口与所述流体腔室之间。

本发明的另一方面提供了一种激光加工系统，包括：

激光器，所述激光器产生所述激光；

如上述的水导激光加工装置，所述激光经所述水导激光加工装置传输至工件；

流体供给装置，所述流体供给装置向所述水导激光加工装置提供流体；

控制单元，所述控制单元分别控制所述激光器、所述流体供给装置的动作。

优选的，激光加工系统还包括光学单元，所述光学单元设置于所述激光器与所述水导激光加工装置的连接光路上；

所述激光加工系统还包括：流体回收装置，所述流体回收装置回收所述流体，所述流体回收装置与所述控制单元控制连接，所述控制单元控制所述流体回收装置的动作。

本发明的另一方面提供了一种激光加工方法，包括以下步骤：

S100：将激光聚焦耦合到如上述的水导激光加工装置的流体腔室内的流体中；

S200：所述激光在围成所述流体腔室的透光壁内发生多次折射，并在所述透光壁与封装气体形成的外表面处发生全反射，回到所述流体中形成激光射流并从所述流体腔室底部射出；

S300：所述激光射流作用于待加工工件上，进行激光加工。

本发明的另一方面提供了一种如上述的水导激光加工装置的应用，用于深入工件或流体内部进行激光加工。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明提供的水导激光加工装置，将大功率(激光功率≥500W)的激光光束聚焦耦合于流体中，激光通过稳定的流体后，在透光壁内表面发生折射，在透光壁外表面与空气界面发生全反射后，再与透光壁内表面发生折射重新进入流体内。借助类似水与空气界面发生全反射的原理。实现千瓦级功率激光的可靠、高效耦合，耦合后的激光射流可用于微米级尺度加工。采用该装置可保证冷却液的稳定性，提高加工过程的稳定性。经过该装置处理后的激光，耦合后可以形成环状微米级光圈，可用于特殊的艺术雕刻。

(2)本发明提供的激光加工系统，通过控制单元实现对激光耦合加工过程的自动化控制。

附图说明

图1是本发明优选实施例中水导激光加工装置示意图；

图2是图1中A点放大后激光光线在内层石英玻璃内传导示意图；

图3是本发明优选实施例水导激光加工装置在不同光学强度条件下，分别对应的激光光斑能量分布示意图，其中a)对应光线强度为外强内弱；b)对应光线强度为外弱内强；c)对应光线全部汇聚于缩流口处；

图4是本发明优选实施例中激光加工系统的功能示意图。

部件和附图标记列表：

附图标记	部件名称
		100	激光光线
380	聚焦透镜
		310	透明窗口
320	瓶体
		330	注流口
340	流体腔室
		350	透光壁
360	气体腔室
		370	外层结构
110	激光器
		120	光学单元
500	流体供给装置
		300	水导激光加工装置
200	流体回收装置
		400	控制单元

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参见图1，本发明提供的水导激光加工装置300，包括：

透光壁350，透光壁350围成流体腔室340；

封装气体层，封装气体层设置于透光壁350的外侧；

其中，流体腔室340的截面面积沿激光的传输方向逐渐减小，且流体腔室340内通有流动的流体，激光与流体耦合后出射；

激光在透光壁350与封装气体层相接界面上发生全反射。

通过向流体腔室340内注入流动的流体，能降低穿过流体腔室340的激光的温度。透光壁350外表面与封装气体形成稳定的气液界面，从而保证了激光与流体耦合过程中的界面稳定性。同时激光通过稳定的流体与透光壁350内表面发生折射后，在透光壁350外表面与空气界面发生全反射后，再与透光壁350内表面发生折射重新进入流体内。从而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。解决了气液界面难以稳定存在，加工稳定性难以保证的问题。所用透光壁350内外壁面光滑均匀，且厚度均匀一致，透光壁350所形成流体腔室340的截面积逐渐平滑的减小。封装气体层是指密封设置于透光壁350外表面上的气体层。封装气体层可通过在透光壁外侧设置密封气体结构，并在其中填充气体，

所用流体可以为各类能起到冷却作用的流体，例如水流。优选为去离子水。采用去离子水较一般纯净水纯净度更高，利于光的传输和减少光的散射。流体的通入方法可以按现有方法进行设置即可。例如在流体腔室340侧壁上开设流体的入口，流体入口可开设多个，开设位置不限。为形成于流体耦合的激光射流。在一具体实施例中，耦合激光的流体从流体腔室340的底部出射。

参见图1，优选的，还包括外层结构370，所述外层结构370设置于所述透光壁350的外侧，所述外层结构370的内壁与所述透光壁350围成密封的气体腔室360，通过在气体腔室360中充入气体，形成所述封装气体层。

气体可根据入射激光的波长进行选择，也可为普通空气。外层结构370可根据实际需要制作，可以为石英玻璃，也可以为金属材料。在一具体实施例中，外层结构370的内壁与透光壁350的外壁围成的空间内密封充入气体，形成封装气体层。

以下以水流为冷却流体，透光壁350和外层结构370均为石英玻璃材质，透光壁350外的气体为空气，对该装置的原理进行解释说明：

如图2所示，为激光光线100在透光壁350内传导的过程，激光通过稳定的流体与透光壁350内表面发生折射后，进而在玻璃外表面与空气界面发生全反射，再与透光壁350内表面发生折射重新进入水流内。如图2所示的各角度满足公式Ⅰ和公式Ⅱ：

其中，θ₁为激光与透光壁350内壁的入射角，θ₂为折射角，θ₃为内层玻璃与空气界面的折射角，n₁为激光与水的折射率，n₂为激光与玻璃的折射率、n₃为激光与空气的折射率。

假定θ₃为90°时，即激光与透光壁350的外表面发生全反射，以上公式Ⅰ和公式Ⅱ左右两边同时相乘，即得到：

由式Ⅲ可以得出：θ₁为激光与玻璃发生全反射的最小入射角，只要满足激光与玻璃内表面入射角不小于θ₁，那么激光就能在透光壁350的玻璃与空气界面处发生全反射，其原理类似于SYNOVA水气界面的全反射。

在该具体实施例中，聚焦的激光在流体腔室340及双层玻璃(为透光壁350和外层结构370)中的传输路线如附图2所示，首先聚焦完的激光最外层光线以一定大小的入射角(这个入射角为激光进入玻璃界面的最小入射角，只要这个角度不小于θ₁即可)由液体进入透光壁350的玻璃(光疏介质进入光密介质一定发生折射)，发生折射后的光线经过内层玻璃与空气界面发生全反射(光由光密介质向光疏介质传输时，入射角足够大满足全反射条件)。反射回来的光线再一次经过流体腔室340和透光壁350玻璃界面发生折射，激光重新进入流体腔室340。激光可在四周的流体腔室340与玻璃的界面发生相同的光路传输过程，重复多次后，激光就能在流体腔室340内发生类似于激光在光纤内的全反射过程。从而实现稳定传输。

优选的，透光壁350在满足水压条件的情况下，尽可能薄。由于大部分激光会在流体腔室340中传导，一部分激光在透光壁350的内外两个表面发生多次反射，这部分光线很少，但不可避免。降低透光壁350的厚度，能降低此部分光线的数量，从而保持激光的功率。

透光壁350内壁虽为光滑过渡，但难免存在角度差异，参见图3，采用该装置从流体腔室340底部出射的激光，能在待加工工件表面形成的不同的光斑能量分布。可根据待加工工件的加工需要进行调节。分别形成如图3a)所示的光线强度为外强内弱的能量分布，相对低强度的射流2’外层被相对高强度的射流1’包围；如图3b)所示的光线强度外弱内强的能量分布，相对高强度的射流1’外层被相对低强度的射流2’包围；从而使激光耦合后可以形成环状微米级光圈，可用于特殊的艺术雕刻。还可以实现如图3c)所示的光线强度汇聚于缩流口处的能量分布，仅形成相对高强度的射流1’。此处的缩流口为流体腔室340底部的出光口。

优选的，还包括至少一个注流口330，注流口330开设于透光壁350上并向流体腔室340内注入流体。流体按此方式流动，能在流体腔室340内形成较长的运动路径，从而较好的对激光进行降温。更优选的，所述注流口330垂直于所述流体腔室340轴线开设与所述透光壁350的上部。

优选的，注流口330垂直于流体腔室340轴线开设与透光壁350上部。按此设置能延长流体与激光的作用时间。

优选的，还包括瓶体320，透光壁350设置于瓶体320内，瓶体320的外壁形成外层结构370。

优选的，还包括透明窗口310，透明窗口310设置于瓶体320的入光面上。透明窗口310为激光可通过材质，设置透明窗口310可封堵瓶体320内部的流体，防止流体从瓶体320溢出。

在一具体实施例中，还包括至少一个注流口330，各所述注流口330两两相对垂直所述瓶体320的轴线开设于所述瓶体320上，并向所述流体腔室340内注入流体；所述注流口330设置于所述透明窗口310与所述流体腔室340之间。

优选的，还包括聚焦透镜380，聚焦透镜380与瓶体320同轴地设置于透明窗口310的顶上。为了保证整个装置紧凑和节约材料，可将聚焦透镜380安置于装置以外，保证与瓶体320同轴。

优选的，聚焦透镜380为长聚焦透镜380。可保证入射角足够大。

参见图1，在一具体实施例中，瓶体320的顶面上设置聚焦透镜380。瓶体320的第一端上设置透明窗口310。沿激光的传输方向，透明窗口310的下方，在瓶体320的侧壁上设置4个注流口330。4个注流口330两两相对且垂直于瓶体320的主轴贯通瓶体320外侧和瓶体320内部设置。瓶体320的内部形成流体腔室340。流体腔室340的侧壁由设置于瓶体320内的透光壁350围成。流体腔室340的第一端与透明窗口310相连通，第二端设有射流出口。耦合于流体中的激光从出口中出射。透光壁350的外侧设置外层结构370。外层结构370与透光壁350之间密封且填充气体。

激光光线100经聚焦透镜380透过透明窗口310，聚焦于瓶体320的流体腔室340内。流体从注流口330流入并充满流体腔室340。激光在流体腔室340中与流体耦合后从流体腔室340底部射出。

参见图4，本发明的又一方面提供了一种激光加工系统，包括：激光器110、如上的水导激光加工装置300、流体供给装置500和控制单元400。激光器110产生激光，并经水导激光加工装置300传输至工件；流体供给装置500向水导激光加工装置300提供流体；控制单元400分别控制激光器110、流体供给装置500的动作。

流体供给装置500和激光器110分别在控制单元400的控制下，产生激光，对水导激光加工装置300供给流体，激光经过水导激光加工装置300中的流体降温后，对工件进行加工。该系统可实现自动化作业。同时保持激光加工过程中，水导激光加工装置300内气液界面的稳定，较好的完成加工过程。

通过在激光加工系统中加入上述水导激光加工装置300，能实现对激光的有效降温，同时实现在激光传输过程中，冷却液中气液界面可稳定存在。

优选的，还包括光学单元120，光学单元120设置于激光器110与水导激光加工装置300的连接光路上。

本发明提供的激光加工系统中，激光器110发射的激光的波长可为266nm～1100nm，该波长范围的激光在水中传输时都有一定程度的衰减，其中以532nm的激光的衰减幅度最小，有效传输距离为20m以上；1064nm的激光的有效传输距离也可达到100mm。

在一具体实施例中，该光学单元120包括反射镜片、镜片调整架、扩束镜、光栅等元件，用于保证激光器110发出的激光能够精确入射到水导激光加工装置300中。

优选的，还包括：流体回收装置200，流体回收装置200回收流体。流体回收装置200与控制单元400控制连接，控制单元400控制流体回收装置200的动作。

在一具体实施例中，流体回收装置200回收流经工件表面的流体或从水导激光加工装置300流出的流体。控制单元400控制流体回收装置200开启回收或关闭回收。

以下结合具体实施例对本发明提供的激光加工系统进行详细说明。

整个加工控制单元400如图4所示。首先通过控制单元400，打开流体阀门(流体为去离子水)。去离子水通过注流口330进入流体腔室340，并迅速充满整个腔室，以一定长度的层流水柱从流体腔室340底部的出口处流出。通过调节阀门，可以改变流体流速的大小。然后通过控制单元400开启激光器110，激光通过各种光学单元120中的光学反射元件传导，最后在长焦距透镜的聚焦作用下，通过专门透过波长532nm的绿光的透明窗口310(透光率高达99％)传导到液体腔内，

激光依次经过反射镜(光学单元120)，聚焦透镜380，透明窗口310，流体腔室340，最终在流体腔室340内实现全反射后，与流体耦合形成射流激光，射流激光到达加工表面，进行材料去除加工。

同时控制单元400可控制水流速度大小、压力。流体回收装置200处理废渣，废水，整个系统闭环控制。

本发明的又一方面还提供了一种激光加工方法，包括以下步骤：

S100：将激光聚焦耦合到如上述水导激光加工装置的流体腔室内的流体中；

S200：激光在围成流体腔室的透光壁内发生多次折射，并在透光壁与封装气体形成的外表面处发生全反射，回到流体中形成激光射流并从流体腔室底部射出；

S300：激光射流作用于待加工工件上，进行激光加工。

本发明提供的激光加工方法，可通过调整所用激光的波长、透光壁的厚度和长度、封装气体种类，实现激光加工工艺的优化和通用。

本发明提供的激光加工方法，使激光在气液界面处实现全反射，解决了高功率激光加工过程中，气液界面稳定性问题。

本发明的又一方面还提供了一种如上述水导激光加工装置的的应用，用于深入工件或流体内部进行激光加工。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，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)

1.一种水导激光加工装置，其特征在于，包括：

透光壁，所述透光壁围成流体腔室；

封装气体层，所述封装气体层设置于所述透光壁的外侧；

其中，所述流体腔室的截面面积沿所述激光的传输方向逐渐减小，且所述流体腔室内通有流动的流体，所述激光与所述流体耦合后出射，所述激光通过稳定的所述流体后，在所述透光壁内表面发生折射，在所述透光壁外表面与空气界面发生全反射后，再与所述透光壁内表面发生折射重新进入所述流体内；

所述激光在所述透光壁与所述封装气体层相接界面上发生全反射。

2.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光加工装置还包括外层结构，所述外层结构设置于所述透光壁的外侧，所述外层结构的内壁与所述透光壁的之间形成所述封装气体层。

3.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光加工装置还包括至少一个注流口，所述注流口开设于所述透光壁上并向所述流体腔室内注入流体。

4.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光加工装置还包括瓶体，所述透光壁设置于所述瓶体内。

5.根据权利要求4所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光加工装置还包括透明窗口，所述透明窗口设置于所述瓶体的入光面上；

所述水导激光加工装置还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜与所述瓶体同轴地设置于所述透明窗口的顶上；

所述聚焦透镜为长聚焦透镜。

6.根据权利要求5所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光加工装置还包括至少两个注流口，各所述注流口两两相对垂直所述瓶体的轴线开设于所述瓶体上，并向所述流体腔室内注入流体；所述注流口设置于所述透明窗口与所述流体腔室之间。

7.一种激光加工系统，其特征在于，包括：

激光器，所述激光器产生所述激光；

如权利要求1～6中任一项所述的水导激光加工装置，所述激光经所述水导激光加工装置传输至工件；

流体供给装置，所述流体供给装置向所述水导激光加工装置提供流体；

控制单元，所述控制单元分别控制所述激光器、所述流体供给装置的动作。

8.根据权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括光学单元，所述光学单元设置于所述激光器与所述水导激光加工装置的连接光路上；

所述激光加工系统还包括：流体回收装置，所述流体回收装置回收所述流体，所述流体回收装置与所述控制单元控制连接，所述控制单元控制所述流体回收装置的动作。

9.一种激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：将激光聚焦耦合到如权利要求1～6中任一项所述的水导激光加工装置的流体腔室内的流体中；

S200：所述激光在围成所述流体腔室的透光壁内发生多次折射，并在所述透光壁与封装气体形成的外表面处发生全反射，回到所述流体中形成激光射流并从所述流体腔室底部射出；

S300：所述激光射流作用于待加工工件上，进行激光加工。

10.一种如权利要求1～6中任一项所述的水导激光加工装置的应用，其特征在于，用于深入工件或流体内部进行激光加工。

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