CN112775540A - 一种直耦式水导激光耦合系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直耦式水导激光耦合系统及方法，包括从上至下依次同轴固接的光传输腔、透镜固定腔、喷嘴托体，所述光传输腔光路通孔的顶端通过三轴光学移动平台固定有激光准直系统，透镜固定腔与光传输腔中部对接面开设可供球透镜或半球透镜置入定位的弧形透镜槽；喷嘴通过喷嘴盖锁定于喷嘴托体中部的凸台上，喷嘴顶端露出且涂覆可在激光照射下变色的光致变色材料。本发明提出一种直耦式水导激光耦合系统及方法，可简化激光光束与喷嘴中心的对准操作，准确判断激光光束与喷嘴的耦合情况，并具有喷嘴可装拆、密封性能好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水导激光耦合技术领域，具体涉及一种直耦式水导激光耦合系统及方法。
背景技术
激光加工是利用高能激光束与物质相互作用的特性，通过光热效应使加工件迅速熔化、汽化或化学降解的加工技术。激光加工具有无接触、无切削力、热影响小、加工精度高的特点，在加工熔点高、硬度大、脆性大等材料方面有很好的应用价值，目前广泛应用于汽车、电子、航空、机械制造等行业。
水导激光加工是利用微细水射流将激光束引导至待加工件表面进行加工的先进加工技术，根据激光在水射流微束中发生类似于在光纤中的全反射原理，通过微水束将激光引导至待加工件表面进行加工。水束可快速冷却加工表面并冲刷加工残渣，提高加工面的加工质量。
由于腔体结构和精密度的要求，现有水导激光加工装置的耦合腔喷嘴体积十分小，一般采用嵌入式或胶黏式装配，嵌入式密封性难以得到保证，胶黏式不易拆卸和更换。
现有水导激光耦合装置中，激光与喷嘴的耦合一般采用人工判断或者CCD成像判断。人工判断误差大，对操作人员要求高。CCD技术成本高，且激光光斑与红光同轴度会出现偏差。
常规水导激光耦合装置中，光学窗口多采用圆柱形透镜，圆柱形透镜不利于激光与水光纤中心的对焦，且圆柱形透镜体积大，不利于减小装置的体积和重量。
发明内容
本发明提出一种直耦式水导激光耦合系统及方法，可简化激光光束与喷嘴中心的对准操作，准确判断激光光束与喷嘴的耦合情况，并具有喷嘴可装拆的优点。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种直耦式水导激光耦合系统，包括从上至下依次同轴固接的光传输腔、透镜固定腔、喷嘴托体，所述光传输腔、透镜固定腔、喷嘴托体中部开设纵向对应可供激光穿过的光路通孔，所述光传输腔光路通孔的顶端通过三轴光学移动平台固定有激光准直系统，激光准直系统的输出光路向下；所述透镜固定腔与光传输腔中部对接面开设可供球透镜或半球透镜置入定位的弧形透镜槽；
所述喷嘴托体中部设置具有外螺纹的凸台，喷嘴通过螺纹连接于凸台的喷嘴盖锁定于凸台上对应光路通孔位置，喷嘴顶端露出且涂覆可在激光照射下变色的光致变色材料；系统内部透镜固定腔与喷嘴盖、喷嘴托体之间具有一定间隙构成薄水层，高压水由透镜固定腔侧壁的进水口进入薄水层于喷嘴处与激光耦合。
上述方案中，将传统圆柱形光学窗口替换为球透镜或半球透镜，在透镜固定腔与光传输腔中部对接面，设置与透镜形状对应的定位弧形透镜槽，弧形透镜槽可固定透镜并实现高精度定位。激光准直系统通过三轴光学移动平台调节光路位置和与透镜之间的距离。球型透镜可对激光有效聚焦，当准直后的激光光斑中心与透镜中心重合时，球型透镜可将光路聚焦并保证激光通过喷嘴，实现激光与水束的耦合。球型透镜聚焦效果好，能降低传统水导激光与喷嘴中心对准的难度，且球型透镜可缩短焦距距离，有助于缩小装置体积。
喷嘴顶端涂覆可在激光照射下变色的光致变色材料，当激光光斑照射在光致变色材料时会发生变色反应，通过变色反应可直观清晰的判断激光耦合对准情况，可简化激光对准操作，提高对准精度。
螺纹连接较传统胶粘结构稳定，但喷嘴属于精密零件不易加工螺纹，装置中喷嘴通过喷嘴盖装配于喷嘴托体上，结构稳定且拆装方便，可简化喷嘴更换步骤，并有效降低工艺成本。
进一步的，所述喷嘴采用阶梯圆台型结构，喷嘴盖底面中部开设与阶梯圆台匹配的阶梯定位孔。喷嘴采用阶梯结构能提高喷嘴与喷嘴盖的定位精度，简化装配操作。
进一步的，所述激光准直系统包括纵向固接于三轴光学移动平台的光纤，以及设置于光纤底部输出端的准直装置。
进一步的，所述喷嘴盖与喷嘴顶端平齐，喷嘴盖和喷嘴顶端均涂覆光致变色材料，喷嘴盖与喷嘴的间隙可填充纳米防水材料或进行研磨密封。
进一步的，所述光致变色材料可采用螺毗喃类、二芳基乙烯类或偶氮苯类化合物。
进一步的，所述喷嘴盖与喷嘴托体之间、喷嘴盖与喷嘴之间设置O型密封圈。
进一步的，所述球透镜和半球透镜的球面向下，且端部穿过透镜固定腔，穿过距离小于球半径。
进一步的，所述球透镜与透镜槽相互接触部分填充纳米防水材料或进行研磨密封。
进一步的，所述透镜固定腔侧壁的进水口至少一对，每对的两进水口对称设置于透镜固定腔两侧。
一种直耦式水导激光耦合方法，包括以下步骤：
S1：打开激光准直系统向下发射激光，观测喷嘴和喷嘴盖上方光致变色材料构成的变色涂层，通过变色涂层的变色反应判断激光光斑位置；
S2：当喷嘴和喷嘴盖表面的变色涂层无变色反应，表示激光全部通过喷嘴孔中心，满足耦合对准要求；
S3：当喷嘴或喷嘴盖表面的变色涂层产生变色反应，表示耦合对准有偏心，调节三轴光学移动平台调整激光准直系统的光路，直至喷嘴和喷嘴盖表面变色涂层无变色，表示激光全部通过喷嘴孔中心；
S4：打开进水管路的阀门，使高压水经由透镜固定腔侧壁的进水口进入薄水层，高压水束于喷嘴孔中心与激光直耦形成激光水束，激光水束通过喷嘴射出对工件表面进行加工。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明所述一种直耦式水导激光耦合系统及方法，采用球透镜/半球透镜替代传统圆柱型透镜，球透镜和半球透镜有比普通凸透镜更短的焦距，当准直后的激光光斑中心与透镜中心重合时，球型透镜可将光路有效聚焦并保证激光通过喷嘴，实现激光与水束的耦合。采用球型透镜可降低水导激光与喷嘴中心对准难度，同时也有助于缩小耦合装置的体积。
2、本发明所述一种直耦式水导激光耦合系统及方法，喷嘴通过螺纹连接于喷嘴托体的喷嘴盖定位，装配结构稳定且拆装方便，可实现水导激光耦合腔喷嘴的可替换性。
3、本发明所述一种直耦式水导激光耦合系统及方法，喷嘴、喷嘴盖顶端涂覆可在激光照射下变色的光致变色材料，通过材料变色反应可直观清晰的判断激光耦合对准情况，可简化激光对准操作，提高对准精度。
4、本发明所述一种直耦式水导激光耦合系统及方法，喷嘴盖与喷嘴的间隙、球透镜与透镜槽的间隙填充纳米防水材料或设置研磨结构进行二次密封，能进一步提高耦合系统的密闭性，保证激光水束的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图号标识：1、光传输腔，2、透镜固定腔，21、进水口，3、喷嘴托体，31、凸台，4、三轴光学移动平台，5、激光准直系统，51、光纤，52、准直装置，6、球透镜，7、半球透镜，8、喷嘴，9、喷嘴盖，10、薄水层，11、O型密封圈，12、变色涂层。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例所述的一种直耦式水导激光耦合系统，如附图1所示，其主体包括光传输腔1、透镜固定腔2、喷嘴托体3、三轴光学移动平台4、激光准直系统5、球透镜6、喷嘴8、喷嘴盖9。
光传输腔1、透镜固定腔2、喷嘴托体3从上至下纵向同轴叠放构成柱型耦合腔体，光传输腔1、透镜固定腔2、喷嘴托体3开设沿圆周均布的多个安装孔，安装孔设置位置靠近柱型耦合腔体外缘，螺钉依次穿过光传输腔1、透镜固定腔2并螺纹连接于喷嘴托体3。其中光传输腔1截面为T型结构，喷嘴托体3截面为U型结构，透镜固定腔2上端与光传输腔1的下端紧密配合，透镜固定腔2外缘与喷嘴托体3上端紧密配合，透镜固定腔2中部与喷嘴托体3具有一定距离作为薄液层10。
透镜固定腔2侧壁开设对薄液层10注水的进水口21所述进水口21成对设置，每对的两个进水口21分别设置于透镜固定腔2左右两侧。进水口21对称设置，薄液层10对称进水，可保证水流的均匀性。进水口21入口处可螺纹连接水嘴接高压水输出管路，高压水由进水口21进入薄水层10于喷嘴8处与激光耦合。
如附图1所示，光传输腔1、透镜固定腔2、喷嘴托体3中部开设纵向对应可供激光穿过的光路通孔，光传输腔1的光路通孔顶端设置三轴光学移动平台4的安装槽，三轴光学移动平台4固定有激光准直系统5，激光准直系统5包括纵向设置的光纤51，以及设置于光纤51底部输出端的准直装置52，光纤51纵向固接于三轴光学移动平台4。
透镜固定腔2与光传输腔1中部对接面设置对应的凸缘和凹槽，并在凸缘与凹槽的水平接触面开设可供球透镜6置入定位的弧形透镜槽，并设置防止高压水沿着球透镜6装配间隙向上渗的O型密封圈11。且球透镜6与透镜槽相互接触部分采用研磨密封，可进一步保证装置的密封性。实施例中透镜槽为与球透镜6曲率相同的球型结构，球透镜6放置于其中底端穿过透镜固定腔2下底面，穿过距离小于球半径，通过球型槽可实现高精度定位。
通过对三轴光学移动平台4X、Y轴的调节可保证准直后的激光光斑中心能与透镜中心在同一Z轴线上，保证激光全部通过喷嘴孔中心实现耦合。通过三轴光学移动平台4调节Z轴高度，可调节准直后的激光与球透镜6的距离，准直后的准直激光有效距离很短，距离过长容易使激光发散，进而扰乱进入透镜光路路线，降低耦合精度。
喷嘴托体3内端面中部设置具有外螺纹的凸台31，并配置开设内螺纹的喷嘴盖9，喷嘴盖9与凸台31螺纹装配。喷嘴8采用阶梯圆台型结构，喷嘴盖9底面中部开设与喷嘴8形状匹配的定位通孔，喷嘴8通过喷嘴盖9定位于凸台31上。结构中，喷嘴盖9与喷嘴8顶端平齐，喷嘴盖9和喷嘴8顶端均涂覆光致变色材料，当激光光斑照射在光致变色材料时会发生变色反应，通过变色反应可直观清晰的判断激光照射位置，以及激光耦合对准的情况。
光致变色材料可采用螺毗喃类、二芳基乙烯类或偶氮苯类化合物。喷嘴盖9与喷嘴托体3之间、喷嘴盖9与喷嘴8之间可设置O型密封圈11进行密封。实施例中，O型密封圈11设置于喷嘴盖9、喷嘴托体3、喷嘴8的共同交点处，可在保证密封的情况下减少O型密封圈11的设置数量。喷嘴盖9与喷嘴8的间隙填充纳米防水材料，可对喷嘴盖9与喷嘴8进行进一步密封，提高装置的密闭性。
实施例2
本实施例中，与实施例1不同的是：采用半球透镜6，半球透镜6为上部圆柱形、底部半球形结构，弧形透镜槽形状与半球透镜6匹配，如附图2所示。半球透镜6底端球面穿过透镜固定腔2下底面，穿过距离小于球形半径。
一种直耦式水导激光耦合方法，基于上述实施例1和实施例2所述的一种直耦式水导激光耦合系统，耦合方法包括以下步骤：
S1：打开激光准直系统5向下发射激光，观测喷嘴8和喷嘴盖9上方光致变色材料构成的变色涂层12，通过变色涂层12的变色反应判断激光光斑位置；
S2：当喷嘴8和喷嘴盖9表面的变色涂层12无变色反应时，表示激光全部通过喷嘴孔中心，满足耦合对准要求；
S3：当喷嘴8或喷嘴盖9表面的变色涂层12产生变色反应时，表示耦合对准有偏心，调节三轴光学移动平台4调整激光准直系统5的光路，直至喷嘴8和喷嘴盖9表面变色涂层12无变色，表示激光全部通过喷嘴孔中心；
S4：打开进水管路的阀门，使高压水经由透镜固定腔2侧壁的进水口进入薄水层10，高压水束于喷嘴孔中心与激光直耦形成激光水束，激光水束通过喷嘴8射出对工件表面进行加工。
以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种直耦式水导激光耦合系统，从上至下依次同轴固接的光传输腔(1)、透镜固定腔(2)、喷嘴托体(3)，所述光传输腔(1)、透镜固定腔(2)、喷嘴托体(3)中部开设纵向对应可供激光穿过的光路通孔，其特征在于：
所述光传输腔(1)光路通孔的顶端通过三轴光学移动平台(4)固定有激光准直系统(5)，激光准直系统(5)的输出光路向下；所述透镜固定腔(2)与光传输腔(1)中部对接面开设可供球透镜(6)或半球透镜(7)置入定位的弧形透镜槽；
所述喷嘴托体(3)中部设置具有外螺纹的凸台(31)，喷嘴(8)通过螺纹连接于凸台(31)的喷嘴盖(9)锁定于凸台(31)上对应光路通孔位置，喷嘴(8)顶端露出且涂覆可在激光照射下变色的光致变色材料；
系统内部透镜固定腔(2)与喷嘴盖(9)、喷嘴托体(3)之间具有一定间隙构成薄水层(10)，高压水由透镜固定腔(2)侧壁的进水口(21)进入薄水层(10)于喷嘴孔中心与激光耦合。
2.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述喷嘴(8)采用阶梯圆台型结构，喷嘴盖(9)底面中部开设与阶梯圆台匹配的阶梯定位孔。
3.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述激光准直系统(5)包括纵向固接于三轴光学移动平台(4)的光纤(51)，以及设置于光纤(51)底部输出端的准直装置(52)。
4.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述喷嘴盖(9)与喷嘴(8)顶端平齐，喷嘴盖(9)和喷嘴(8)顶端均涂覆光致变色材料，喷嘴盖(9)与喷嘴(8)的间隙可填充纳米防水材料或进行研磨密封。
5.根据权利要求4所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述光致变色材料可采用螺毗喃类、二芳基乙烯类或偶氮苯类化合物。
6.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述喷嘴盖(9)与喷嘴托体(3)之间、喷嘴盖(9)与喷嘴(8)之间设置O型密封圈(11)。
7.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述球透镜(6)和半球透镜(7)的球面向下，且端部穿过透镜固定腔(2)，穿过距离小于球形半径。
8.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述球透镜(6)与透镜槽相互接触部分填充纳米防水材料或进行研磨密封。
9.根据权利要求1所述的一种直耦式水导激光耦合系统，其特征在于：所述透镜固定腔(2)侧壁的进水口(21)至少一对，每对的两进水口(21)对称设置于透镜固定腔(2)两侧。
10.根据权利要求1～9任何一项所述耦合系统实现一种直耦式水导激光耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开激光准直系统(5)向下发射激光，观测喷嘴(8)和喷嘴盖(9)上方光致变色材料构成的变色涂层(12)，通过变色涂层(12)的变色反应判断激光光斑位置；
S2：当喷嘴(8)和喷嘴盖(9)表面的变色涂层(12)无变色反应，表示激光全部通过喷嘴孔中心，满足耦合对准要求；
S3：当喷嘴(8)或喷嘴盖(9)表面的变色涂层(12)产生变色反应，表示耦合对准有偏心，调节三轴光学移动平台(4)调整激光准直系统(5)的光路，直至喷嘴(8)和喷嘴盖(9)表面变色涂层(12)无变色，表示激光全部通过喷嘴孔中心；
S4：打开进水管路的阀门，使高压水经由透镜固定腔(2)侧壁的进水口进入薄水层(10)，高压水束于喷嘴孔中心与激光直耦形成激光水束，激光水束通过喷嘴(8)射出对工件表面进行加工。
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