CN109514081B - 一种水导激光加工装置及加工系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水导激光加工装置，属于激光加工技术领域。本申请的水导激光加工装置包括结构框架和激光传输管道；结构框架由上至下依次包括聚焦腔室、层流腔室和气体腔室；聚焦腔室内固定有聚焦透镜，激光传输管道的上端固定在聚焦腔室的底壁，激光传输管道的下端穿过层流腔室进入气体腔室中；在层流腔室内，沿激光传输管道的周向固定有多个层流筒，每个层流筒的轴向方向与激光的传播方向平行，层流筒上设有进液口和出液口，出液口与激光传输管道连通；气体腔室的下端开设有水导激光出口。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

一种水导激光加工装置及加工系统

技术领域

本申请涉及一种水导激光加工装置及加工系统，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，提供一种水导激光加工装置，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。

本申请提供的水导激光加工装置，包括结构框架和激光传输管道；

所述结构框架由上至下依次包括聚焦腔室、层流腔室和气体腔室；

所述聚焦腔室内沿激光的传播方向固定有聚焦透镜，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；

在所述层流腔室内，沿所述激光传输管道的周向固定有多个层流筒，每个所述层流筒的轴向与激光传输管道的轴向平行，所述层流筒上设有进液口和出液口，所述层流筒的出液口与所述激光传输管道连通；

所述气体腔室的下端开设有水导激光出口。

可选地，每个所述层流筒内固定至少一个过滤网，所述过滤网位于所述层流筒的进液口和出液口之间，所述过滤网的周边与所述层流筒的内周壁接触。

可选地，所述层流筒内固定有两个过滤网，分别为第一过滤网和第二过滤网，所述第一过滤网和第二过滤网沿所述层流筒的轴向方向间隔排列，所述第一过滤网和第二过滤网之间设置有海绵体。

可选地，所述层流筒内固定有第三过滤网，所述第三过滤网沿所述层流筒的轴向方向间隔设置在所述第二过滤网的下方，所述第二过滤网和第三过滤网之间设置有多根导流管。

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激光传输管道与所述层流筒出液口的连通处的上方。

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；

优选地，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所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；

所述光学元件位于所述激光器与所述水导激光加工装置之间；

所述液体传输单元与所述水导激光加工装置中的层流筒连接；

所述气体传输单元与所述水导激光加工装置中的气体腔室连接。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的水导激光加工装置，通过在层流腔室内设置多个层流筒，液体由层流筒的进液口进入，在层流筒内形成层流，然后由层流筒的出液口进入激光传输管道中，层流液体包裹在激光束(激光束在激光传输管道中传播)的周围形成液束以使激光在该液束中传播，稳定的层流液束提高了激光的全反射效率。

2)本申请所提供的水导激光加工装置，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)本申请所提供的水导激光加工装置，生产成本低。

附图说明

图1为本申请一种实施方式中水导激光加工装置的结构示意图；

图2为本申请一种实施方式中水导激光加工装置的横向截面示意图；

图3为本申请一种实施方式中水导激光加工装置中的水导激光传导示意图；

图4为本申请一种实施方式中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导液管道 103气体腔室；

1031第二缩径口； 1032气体过滤装置； 1033气体入口；

104导光腔室； 200激光传输管道； 202第一缩径口；

203窗口透镜； 300层流筒； 301进液口；

302出液口； 303第一过滤网； 304第二过滤网；

305第三过滤网； 306海绵体； 307导流管；

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。

本申请提供了一种水导激光加工装置，包括结构框架100和激光传输管道200；结构框架100由上至下依次包括聚焦腔室101、层流腔室102和气体腔室103；聚焦腔室101内沿激光的传播方向固定有聚焦透镜1011，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；在层流腔室102内，沿激光传输管道200的周向固定有多个层流筒300，每个层流筒300的轴向与激光传输管道200的轴向平行，层流筒300上设有进液口301和出液口302，层流筒300的出液口302与激光传输管道200连通；气体腔室103的下端开设有水导激光出口。

本实施例中水导激光加工装置，通过在层流腔室内设置多个层流筒，液体由层流筒的进液口进入，在层流筒内形成层流，然后由层流筒的出液口进入激光传输管道中，层流液体包裹在激光束(激光束在激光传输管道中传播)的周围形成液束以使激光在该液束中传播，稳定的层流液束提高了激光的全反射效率。

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。

层流筒300可以为圆筒状，可以为方筒状。优选地，层流筒300为圆筒状结构，此时层流筒300可以为内径固定的筒状结构，当然也可以为变径的筒状结构，当然还可以为其他合适的结构。层流筒300的上端可以抵顶在层流腔室102的顶壁上，层流筒300的下端可以抵顶在层流腔室102的底壁上。具体来说，在一个示例中，层流筒300可以包含顶壁和底壁，层流筒300的顶壁与层流腔室102的顶壁抵触，层流筒300的底壁与层流腔室102的底壁抵触；在另一个示例中，层流筒300为连通筒(即层流筒300上下端是连通的，没有顶壁和底壁)，连通的层流筒300夹设在层流腔室102的顶壁和底壁之间。当层流筒300为圆筒状结构时，如图2所示层流筒300可以与激光传输管道200和层流腔室102均相切。多个层流筒300沿激光传输管道200的周向均匀分布，以使层流液体对激光进行均匀包覆，优选地，层流液体为水。层流筒300可以为3个，或者也可以为4个，当然还可以为其他合适的数量，在一个示例中，当层流筒300为3个时，相邻层流筒300之间的夹角为120°。进液口301位于层流筒300侧壁的上部，可以通过开设在层流腔室102腔壁上的通孔向外伸出。层流筒300可以在底壁上开设有出液口302，出液口302可以通过层流腔室102底壁内埋设的导液管道1021与激光传输管道200连通。

气体腔室103的外壁上开设有至少一个气体入口1033。当气体入口1033为多个时，多个气体入口1033可以沿周向均匀分布。气体由气体入口1033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。气体腔室103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200的正下方。

可选地，每个层流筒300内固定至少一个过滤网，过滤网位于层流筒300的进液口301和出液口302之间，过滤网的周边与层流筒300的内周壁接触。

具体地，层流筒300内固定至少一个过滤网，过滤网可以为片状结构。当过滤网有多个时，多个过滤网沿层流筒300的轴向间隔排列。过滤网上具有大量的过滤孔，以使液体经过过滤网301时产生群孔层流效果。

可选地，层流筒300内固定有两个过滤网，分别为第一过滤网303和第二过滤网304，第一过滤网303和第二过滤网304沿层流筒300的轴向方向间隔排列，第一过滤网303和第二过滤网304之间设置有海绵体306。海绵体306具有储水蓄能的作用，因此有利于液体形成更稳定的层流。

可选地，层流筒300内固定有第三过滤网305，第三过滤网305沿层流筒300的轴向方向间隔设置在第二过滤网304的下方，第二过滤网304和第三过滤网305之间设置有多根导流管307。导流管307有利于液体形成稳定的层流。

具体地，导流管307的上端抵顶在第二过滤网304上，导流管307的下端抵顶在第三过滤网305上。导流管307可以沿径向等间距排列，或者也可以沿周向等间距排列，本申请对导流管307的具体排列方式不做限定。

可选地，激光传输管道200内固定有窗口透镜203，窗口透镜203位于激光传输管道200与层流筒300出液口302的连通处的上方。窗口透镜203可以使激光穿过，并且隔绝层流液体。

可选地，聚焦透镜1011可沿激光传播方向在聚焦腔室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，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103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。

优选地，气体腔室103中设有气体过滤装置1032，气体过滤装置1032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1032处理后对含有激光的液束进行包裹。气体过滤装置1032有利于改善气体的均匀性。

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1所示的倒圆台状，或者也可以为向激光传输管道200内凹的弧面状。

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

具体地，第二缩径口1031可以为圆台状，或者也可以为图1所示的向气体腔室103内凹的弧面状。第二缩径口1031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3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。

本申请的另一方面还提供了一种水导激光加工系统，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以及上述任一项所述的水导激光加工装置16；

电控系统11分别与激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14电连接；

光学元件13位于激光器12与水导激光加工装置16之间；

液体传输单元14与水导激光加工装置16中的层流筒300连接；

气体传输单元15与水导激光加工装置16中的气体腔室103连接。

实施例1

图1为本实施例中水导激光加工装置的结构示意图，图2为本实施例中水导激光加工装置的横向截面示意图，图3为本实施例中水导激光加工装置中的水导激光传导示意图，下面结合图1～3对本实施例进行具体说明。

本实施例提供了一种水导激光加工装置，如图1所示。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。如图2所示，层流腔室102内沿激光传输管道200的周向均匀设置有4个层流筒300。每个层流筒300内由上至下依次安装有第一过滤网303、海绵体306、第二过滤网304、导流管307、第三过滤网305。在层流筒300侧壁的上方开设有进液口301，在层流筒300的底壁上开设有出液口302，出液口302通过层流腔室102底壁内的导液管道1021与激光传输管道200连通。

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。激光传输管道200的内固定有窗口透镜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1032，气体过滤装置1032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1031。

在本实施例中，第一过滤网、海绵体、第二过滤网、导流管、第三过滤网沿层流筒的轴向依次由上而下排列。液体由进液口进入层流筒中后，依次经过第一过滤网、海绵体、第二过滤网、导流管、第三过滤网的处理形成非常稳定的层流，由出液口流出进入激光传输管道中，对激光形成均匀的包覆，含有激光的水束进入气体腔室内，气体对其进行包覆，激光在液气层流界面发生全反射，由水导激光出口射出。

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，由层流筒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压缩包覆，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3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2

图4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4对本实施例进行说明。

如图4所示，本实施例提供的水导加工系统，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以及上述水导激光加工装置16；

电控系统11分别与激光器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产生的激光导入水导激光加工装置16中；

液体传输单元14与水导激光加工装置16中的层流筒300连接用于将液体导入层流腔室102中；

气体传输单元15与水导激光加工装置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，打开液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筒，液体由层流筒流入激光传输管道中，再进入气体腔室中，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，进入水导激光加工装置的激光光束与水导激光加工装置上端面垂直，且光束轴线与水导激光加工装置的几何轴线重合；激光在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，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 (7)

1.一种水导激光加工装置，其特征在于，包括结构框架和激光传输管道；

所述结构框架由上至下依次包括聚焦腔室、层流腔室和气体腔室；

所述聚焦腔室内沿激光的传播方向固定有聚焦透镜，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；

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；

在所述层流腔室内，沿所述激光传输管道的周向固定有多个层流筒，每个所述层流筒的轴向与激光传输管道的轴向平行，所述层流筒上设有进液口和出液口，所述层流筒的出液口与所述激光传输管道连通；

所述气体腔室的下端开设有水导激光出口；

每个所述层流筒内固定至少一个过滤网，所述过滤网位于所述层流筒的进液口和出液口之间，所述过滤网的周边与所述层流筒的内周壁接触；

所述层流筒内固定有两个过滤网，分别为第一过滤网和第二过滤网，所述第一过滤网和第二过滤网沿所述层流筒的轴向方向间隔排列，所述第一过滤网和第二过滤网之间设置有海绵体；

所述层流筒内固定有第三过滤网，所述第三过滤网沿所述层流筒的轴向方向间隔设置在所述第二过滤网的下方，所述第二过滤网和第三过滤网之间设置有多根导流管。

2.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述激光传输管道内固定有窗口透镜，所述窗口透镜位于所述激光传输管道与所述层流筒出液口的连通处的上方。

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

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。

5.根据权利要求1～4任一项所述的水导激光加工装置，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。

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。

7.一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1～6中任一项所述的水导激光加工装置；

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；

所述光学元件位于所述激光器与所述水导激光加工装置之间；

所述液体传输单元与所述水导激光加工装置中的层流筒连接；

所述气体传输单元与所述水导激光加工装置中的气体腔室连接。

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