CN109514080A - 高功率水导激光加工装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高功率水导激光加工装置及系统，属于激光加工技术领域，本申请提供的高功率水导激光加工装置包括：框架结构、激光传输管道；框架结构的上段形成含有聚焦透镜的聚焦腔室，框架结构的中段形成层流腔室，框架结构的下段形成气体腔室；激光传输管道的上端固定在聚焦腔室的底壁上，激光传输管道的下端穿过层流腔室进入气体腔室中；位于层流腔室中的激光传输管道的管壁上开设有导流口；层流腔室中设置有层流组件；气体腔室的下端开设有水导激光出口，水导激光出口位于激光传输管道的下方。该装置提高了激光的全反射效率以及激光与液体之间的耦合功率，从而得到了大功率耦合激光，提高了该激光的加工深度，使加工深度达到10mm以上。

Description

高功率水导激光加工装置及系统

技术领域

本申请涉及一种高功率水导激光加工装置及系统，属于激光加工技术领域。

背景技术

水导激光加工技术是一种微细水射流引导激光进行加工的技术，由于激光在水中与空气中的折射率不同，使水中传播的激光在水束与空气的界面上发生全反射而被限制在水束内，水束起导光纤维的作用。

现阶段，专利CN108262556A中公开了一种大功率耦合水导激光加工装置，该装置包括液体腔室，窗口透镜，液体腔室包括聚焦透镜、支撑结构及液体缩流传导装置，液体缩流传导装置的内壁涂有全反射图层，利用全反射涂层及旋转水导激光的方法，提高了激光耦合功率，并且进一步拓展了激光加工的深度能力。专利CN108581224A中公开了一种旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，该装置包括：支撑部和缩流传导装置，支撑部内通有与激光耦合的液体；缩流传导装置设置于支撑部的下方并与支撑部相连通；其中，缩流传导装置内设有液体腔室和封装气体层；封装气体层设置于液体腔室外；液体腔室的横截面直径沿激光的传输方向逐渐减小，并形成传导端，传导端的主轴与激光主光轴成锐角倾斜；缩流传导装置绕激光主光轴自转，该专利中旋转激光加工的方式改善加工深度。

然而，现有技术中的水导激光加工装置，由于液体和激光进行耦合时，耦合功率还是比较低且激光的全反射效率也比较低，使得激光的输出功率较低，因此激光的加工深度还是不能满足一些场合的需求。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种高功率水导激光加工装置，该装置提高了激光的全反射效率以及激光与液体之间的耦合功率，从而得到了大功率耦合激光，提高了该激光的加工深度，使加工深度达到10mm以上。

根据本申请的一方面提供的高功率水导激光加工装置，包括框架结构、激光传输管道；

所述框架结构自上而下依次包括聚焦腔室、层流腔室和气体腔室；

所述激光传输管道的上端固定在所述聚焦腔室的底壁上，所述激光传输管道的下端穿过所述层流腔室进入所述气体腔室中；

位于所述层流腔室中的所述激光传输管道的管壁上开设有导流口；

在所述层流腔室中所述激光传输管道外套设有层流组件，所述层流组件沿所述层流腔室的径向分布；

所述气体腔室的下端开设有水导激光出口，所述水导激光出口位于所述激光传输管道的下方。

可选地，所述层流组件包括至少一个环状过滤网，所述环状过滤网套设在所述激光传输管道外，且所述环状过滤网的顶端抵顶在所述层流腔室的顶壁上，所述环状过滤网的底端抵顶在所述层流腔室的底壁上。

可选地，所述层流组件包括海绵体以及多个所述环状过滤网，多个所述环状过滤网沿层流腔室的径向分布，所述海绵体填充在相邻的所述环状过滤网所形成的环形空间中。

可选地，所述聚焦透镜可沿激光传播方向在所述聚焦腔室内滑动。

可选地，所述激光传输管道内固定有窗口透镜，所述窗口透镜位于所述导流口的上方。

可选地，所述聚焦腔室和层流腔室之间设有导光腔室，所述激光传输管道依次穿过所述导光腔室、层流腔室进入所述气体腔室中。

可选地，所述气体腔室中设有气体过滤装置，所述气体过滤装置套设在所述激光传输管道的管壁上。

可选地，所述激光传输管道的下端形成第一缩径口，所述第一缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

可选地，所述水导激光出口为第二缩径口，所述第二缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

根据本申请的另一方面提供的水导激光加工系统，包括：电控系统、激光器、光学元件、液体传输单元、气体传输单元以及上述任一项所述的高功率水导激光加工装置；

所述电控系统分别于所述激光器、气体传输单元和液体传输单元电连接用于控制所述激光器、气体传输单元和液体传输单元；

所述光学元件位于所述激光器与高功率水导激光加工装置之间用于将所述激光器产生的激光导入所述高功率水导激光加工装置中；

所述液体传输单元与所述高功率水导激光加工装置中的层流腔室连接用于将液体导入层流腔室中；

所述气体传输单元与所述高功率水导激光加工装置中的气体腔室连接用于将气体导入气体腔室中。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的高功率水导激光加工装置，包括激光传输管道以及聚焦腔室、层流腔室和气体腔室，激光传输管道的上端固定在聚焦腔室的底壁上，其下端穿过层流腔室进入气体腔室内，在层流腔室内设有层流组件，该组件可以使得层流腔室内的流体形成稳定的层流，该层流液体包裹在激光束周围，提高了激光束的全反射效率。

2)本申请所提供的高功率水导激光加工装置，由于液体具有稳定的层流特性，因此改善了系统的稳定性，减少了光散射带来的破坏与损伤，提高了光液耦合功率。

3)本申请所提供的高功率水导激光加工装置，由于具有较高的全反射效率和光液耦合功率，因此可以输出大功率耦合激光，即该激光在微米尺度下可达到千瓦级功率，加工深度达到10mm以上。

4)本申请所提供的高功率水导激光加工装置，生产成本低。

附图说明

图1为本申请实施例1中的高功率水导激光加工装置示意图；

图2为本申请实施例2中的高功率水导激光加工装置示意图；

图3为本申请实施例2中的高功率水导激光加工装置的横向截面示意图；

图4为本申请提供的高功率水导激光加工装置中的水导激光传导示意图；

图5为本申请实施例3提供的高功率水导激光加工系统的结构框图。

部件和附图标记列表：

100框架结构； 101聚焦腔室； 1011聚焦透镜；

102层流腔室； 1021液体入口； 103气体腔室；

1031水导激光出口； 1032气体入口； 1033第二缩径口；

1034气体过滤装置； 104导光腔室； 200激光传输管道；

201导流口； 202第一缩径口； 203窗口透镜；

300层流组件； 301环状过滤网； 302海绵体；

11电控系统； 12激光器； 13光学元件；

14液体传输单元； 15气体传输单元；

16高功率水导激光加工装置； 17工件。

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。

实施例1

图1为本实施例提供的高功率水导激光加工装置示意图，下面结合图1对本实施例进行说明。

如图1所示，本实施例提供的高功率水导激光加工装置，包括框架结构100、激光传输管道200；框架结构100自上而下依次包括聚焦腔室101、层流腔室102和气体腔室103；激光传输管道200的上端固定在聚焦腔室101的底壁上，激光传输管道200的下端穿过层流腔室102进入气体腔室103中；位于层流腔室102中的激光传输管道200的管壁上开设有导流口201；在层流腔室102中激光传输管道200外套设有层流组件300，层流组件300沿层流腔室102的径向分布，层流组件300使得层流腔室102中的液体从导流口201流入激光传输管道200时形成稳定的层流；气体腔室103的下端开设有水导激光出口1031，水导激光出口1031位于激光传输管道200的下方。

本实施例中高功率水导激光加工装置，通过在层流腔室102中设置层流组件300，层流组件300中的各个组件沿层流腔室102的径向分布，使得层流腔室102内的液体沿径向方向经层流组件300处理，也就是说液体沿径向方向被层流化，层流化的液体再由导流口201进入激光传输管道200中以对激光束形成包覆，该液体经层流组件300处理后具有稳定的层流效应，因此能够提高激光在液气层流界面的全反射效率。

具体地，激光传输管道200的上端固定在聚焦腔室101的底壁上，激光传输管道200可以与聚焦腔室101连通，以使进入聚焦腔室101中的激光经过聚焦透镜1011处理后直接进入激光传输管道200中。聚焦透镜1011用于使激光产生聚焦，从而调节激光进行全反射时的入射角。

导流口201位于层流腔室102的下部，且导流口201沿激光传输管道200管壁的周向均匀设置。导流口201的轴线与激光传输管道200的轴线具有一定的夹角。优选地，该夹角为锐角，例如图1所示，从而使得层流腔室102中的液体更加流畅地进入激光传输管道200中。

在层流腔室102的外壁上开设有至少一个液体入口1021。当液体入口1021为多个时，可以沿周向均匀分布。优选地，液体入口1021分布在层流腔室102外壁的上部。液体由液体入口1021进入层流腔室102中，经层流组件300处理后由导流口201流入激光传输管道200内。由于液体入口1021和导流口201为对角线设计，因此增加了层流组件300对液体的处理路程(液体在层流腔室102中沿腔室的径向和轴向同时运动)，使得液体更好地被层流化。优选地，该液体为水。

气体腔室103的外壁上开设有至少一个气体入口1032。当气体入口1032为多个时，多个气体入口1032可以沿周向均匀分布。气体由气体入口1032进入气体腔室103中，对由激光传输管道200射出的含有激光的液束进行包裹，气体和液体之间形成了气液层流界面，该气液层流界面构成了激光发生全反射的必要条件。

可选地，层流组件300包括至少一个环状过滤网301，环状过滤网301套设在激光传输管道200外，且环状过滤网301的顶端抵顶在层流腔室102的顶壁上，环状过滤网301的底端抵顶在层流腔室102的底壁上。

具体地，环状过滤网301的轴心与激光传输管道200的轴心重合。当环状过滤网301为多个时，多个环状过滤网301同轴设置，且多个环状过滤网301沿径向的间距相等。环状过滤网301上具有大量的过滤孔，以使液体经过环状过滤网301时产生群孔层流效果。

可选地，层流组件300包括海绵体302以及多个环状过滤网301，多个环状过滤网301沿层流腔室的径向分布，海绵体302填充在相邻的环状过滤网301所形成的环形空间中。

具体地，环状过滤网301和海绵体302为可以交叉分布，例如，当环状过滤网301为3个时，层流组件300沿径向方向依次为环状过滤网301、海绵体302、环状过滤网301、海绵体302、环状过滤网301。当然，环状过滤网301和海绵体302也可以其他的排列方式，例如，层流组件300沿径向方向依次为环状过滤网301、海绵体302、环状过滤网301、环状过滤网301。本申请中对环状过滤网301和海绵体302的排列方式不做具体限定，只要有海绵体302填充在相邻的环状过滤网301之间即可。

可选地，聚焦透镜1011可沿激光传播方向在所述聚焦腔室101内滑动，以实现更好地调节激光发生全反射时的入射角度。

可选地，激光传输管道200内固定有窗口透镜203，窗口透镜203位于导流口201的上方。窗口透镜203可以使激光穿过，并且隔绝层流液体。

可选地，聚焦腔室101和层流腔室102之间设有导光腔室104，激光传输管道200依次穿过导光腔室104、层流腔室102进入气体腔室101中。

具体地，导光腔室104用于提供形成激光聚焦所需要的光路长度，以使激光产生更好的聚焦效果。导光腔室104可以为中空的，也可以为实心的，本申请对导光腔室104具体的结构不做限定，只要能够满足形成激光聚焦所需的光路长度即可。

可选地，气体腔室103中设有气体过滤装置1034，气体过滤装置1034套设在激光传输管道200的管壁上。进入气体腔室103中的气体经气体过滤装置1034处理后对含有激光的液束进行包裹。气体过滤装置1034改善了气体的均匀性。

可选地，激光传输管道200的下端形成第一缩径口202，第一缩径口202的直径沿激光的传播方向逐渐减小。第一缩径口202可以为图2所示的圆台状，或者也可以为向激光传输管道200内凹的弧面状。

可选地，水导激光出口1031为第二缩径口1033，第二缩径口1033的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

具体地，第二缩径口1033可以为圆台状，或者也可以为图2所示的向气体腔室103内凹的弧面状。第二缩径口1033实现了气体对从第一缩径口202中流出的裹有激光液柱的压缩效果，如图5所示，将液柱的直径进一步地缩小以提高激光的输出功率。气体腔室103中的气体可以为高压气体，以实现更好的压缩效果。

实施例2

图2为本实施例提供的高功率水导激光加工装置的结构示意图，图3为本实施例提供的高功率水导激光加工装置的横向截面示意图，下面结合图2和图3对本实施例进行具体说明。

如图2所示，本实施例提供的高功率水导激光加工装置包括聚焦腔室101、导光腔室104、层流腔室102以及气体腔室103。

在聚焦腔室101中安装有可沿激光传播方向滑动的聚焦透镜1011。

聚焦腔室101的下方固定有中空的导光腔室104。

导光腔室104的下方固定有层流腔室102，层流腔室102中设有导流组件300。如图2和图3所示，层流组件300包括2个环状过滤网301和海绵体302，其中一个环状过滤网301与层流腔室102的内壁抵触，另一个环状过滤网301与激光传输管道200的外壁抵触，在这两个环状过滤网301之间充满了海绵体302。

激光传输管道200的上端固定在聚焦腔室101的底壁上，且激光传输管道200与聚焦腔室101连通。激光传输管道200的下端依次穿过导光腔室104、层流腔室102进入气体腔室103中，且与气体腔室103的底端具有一定距离。位于层流腔室102中的激光传输管道200的下部沿周向均匀设置有多个向下的导流口201。激光传输管道200的内腔中固定有窗口透镜203。激光传输管道200的下端形成第一缩径口202。

气体腔室103内设有气体过滤装置1034，气体过滤装置1034套设在激光传输管道200的管壁上。气体腔室103的下端形成第二缩径口1033。

在本实施例中，激光沿聚焦腔室、导光腔室、层流腔室、气体腔室依次传播。激光进入聚焦腔室时，聚焦腔室中的聚焦透镜对其产生聚焦效果，利用可滑动的聚焦透镜调整激光进行全反射时的入射角，以提高激光的全反射效率。激光由聚焦腔室进入激光传输管道并穿过窗口透镜，由层流腔室中流出的层流液体对其进行包覆，然后由第一缩径口进入气体腔室内，气体腔室中的气体对上述的层流液体进行包覆，以使激光在液气层流界面发生全反射，最终由第二缩径口射出至工件表面。

如图4所示，激光光线在液气层流界面发生全反射；

为保证激光在液气界面的全反射效应，应满足如下条件：

其中θ1为激光与液气层流界面的入射角，θ2为折射角，n1、n2分别为光与液体、气体的折射率。假定θ2为90°，即激光在液气层流界面发生全反射，此时，计算得θ1即为激光与液气层流界面发生全反射的最小入射角，只要满足激光与液气层流界面入射角不小于θ1，那么激光就能在液气层流界面发生全反射。利用液气层流界面的全反射效应，装置将激光光线传输至加工工件17表面进行材料去除加工。

实施例3

图5为本实施例提供的水导激光加工系统的结构框架图，下面结合图5对本实施例进行说明。

本实施例提供的水导激光加工系统，包括：电控系统11、激光器12、光学元件13、液体传输单元14、气体传输单元15以及上述任一种高功率水导激光加工装置16；

电控系统11分别于激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14电连接用于控制激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14；

光学元件13位于激光器12与高功率水导激光加工装置16之间用于将激光器12产生的激光导入高功率水导激光加工装置16中；

液体传输单元14与高功率水导激光加工装置16中的层流腔室102连接用于将液体导入层流腔室102中；

气体传输单元15与高功率水导激光加工装置16中的气体腔室103连接用于将气体导入气体腔室103中。

下面具体介绍水导激光加工系统的工作过程。

首先通过电控系统，打开流体传输单元的阀门和气体传输单元的阀门，使液体物质充满层流腔室，在气体辅助下，形成收缩的层流水柱，从气体腔室的水导激光出口喷出；通过电控系统将激光器开启，利用光学元件反射传导，将激光导入水导光加工装置中，优选地，进入高功率水导激光加工装置的激光光束与高功率水导激光加工装置上端面垂直，且光束轴线与高功率水导激光加工装置的几何轴线重合；激光在高功率水导激光加工装置中，依次通过聚焦透镜聚焦、窗口透镜隔离流体、层流液柱包裹、气体腔室缩流、液气层流界面全反射导光等到达工件表面，进行材料去除加工。

在激光对材料进行加工的过程中，为了保证激光在液气层流界面的高效全反射效应，应保证激光光线与液气层流界面入射角不小于θ1。

随着激光加工的继续进行，高功率水导激光加工装置喷射出的层流水柱可以到达工件内部，实现对工件的高效、稳定、无热影响、大深度去除加工。

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)

1.一种高功率水导激光加工装置，其特征在于，包括框架结构、激光传输管道；

所述框架结构自上而下依次包括聚焦腔室、层流腔室和气体腔室；

所述激光传输管道的上端固定在所述聚焦腔室的底壁上，所述激光传输管道的下端穿过所述层流腔室进入所述气体腔室中；

位于所述层流腔室中的所述激光传输管道的管壁上开设有导流口；

在所述层流腔室中所述激光传输管道外套设有层流组件，所述层流组件沿所述层流腔室的径向分布；

所述气体腔室的下端开设有水导激光出口，所述水导激光出口位于所述激光传输管道的下方。

2.根据权利要求1所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述层流组件包括至少一个环状过滤网，所述环状过滤网套设在所述激光传输管道外，且所述环状过滤网的顶端抵顶在所述层流腔室的顶壁上，所述环状过滤网的底端抵顶在所述层流腔室的底壁上。

3.根据权利要求2所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述层流组件包括海绵体以及多个所述环状过滤网，多个所述环状过滤网沿所述层流腔室的径向分布，所述海绵体填充在相邻的所述环状过滤网所形成的环形空间中。

4.根据权利要求1所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述聚焦透镜可沿激光传播方向在所述聚焦腔室内滑动。

5.根据权利要求1所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述激光传输管道内固定有窗口透镜，所述窗口透镜位于所述导流口的上方。

6.根据权利要求1所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述聚焦腔室和层流腔室之间设有导光腔室，所述激光传输管道依次穿过所述导光腔室、层流腔室进入所述气体腔室中。

7.根据权利要求1所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述气体腔室中设有气体过滤装置，所述气体过滤装置套设在所述激光传输管道的管壁上。

8.根据权利要求1～7任一项所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述激光传输管道的下端形成第一缩径口，所述第一缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

9.根据权利要求8所述的高功率水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光出口为第二缩径口，所述第二缩径口的直径沿激光的传播方向逐渐减小。

10.一种水导激光加工系统，其特征在于，包括：电控系统、激光器、光学元件、液体传输单元、气体传输单元以及权利要求1～9中任一项所述的高功率水导激光加工装置；

所述电控系统分别与所述激光器、气体传输单元和液体传输单元电连接用于控制所述激光器、气体传输单元和液体传输单元；

所述光学元件位于所述激光器与高功率水导激光加工装置之间用于将所述激光器产生的激光导入所述高功率水导激光加工装置中；

所述液体传输单元与所述高功率水导激光加工装置中的层流腔室连接用于将液体导入层流腔室中；

所述气体传输单元与所述高功率水导激光加工装置中的气体腔室连接用于将气体导入气体腔室中。