CN113305427A - 水导激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水导激光装置，该水导激光装置包括：装置主体、导向机构和喷嘴；装置主体设有注水腔和光束腔；注水腔设有导光口、进水口和出水口；光束腔设有激光入口和激光出口；导向机构可摆动地和/或可伸缩地与注水腔连接，内设第一流道，第一流道的入口端与出水口连通；喷嘴与第一流道的出口端连通。本发明提供的水导激光装置，通过在装置主体内设置注水腔和光束腔，将设有流道的导向机构与注水腔连接，并将流道的出口与喷嘴连通，使得该水导激光装置在工作时，聚焦后的激光束能够依次通过流道和喷嘴对准工件，由于导向机构可摆动地和/或可伸缩地与注水腔连接，使得该水导激光装置能够针对工件的结构进行调整，满足不同的加工需求。

Description

水导激光装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种水导激光装置。

背景技术

水导激光加工技术是基于全内反射原理，可以生成完全包含在水射流中的激光束，激光束在具有较低密度介质的空气-水界面处反射，激光束从喷嘴沿着微米级水束传播到工件表面，激光用于烧蚀工件；水可用于冷却切削区，并将激光烧蚀碎屑及时冲刷去除。与传统激光直接烧蚀去除相比，水导激光加工中产生的热累积和毛刺少，加工区表面更光滑，能获得高精度和直边的切削效果。水导激光加工技术在高精密且低损伤加工领域应用广泛。

现有的水导激光器能够较好的加工直孔、切槽等结构，但对于一些特殊结构或特殊工件加工困难，这阻碍着水导激光加工技术的应用范围。例如，水导激光器加工长型工件的大角度制孔时，当工件与喷嘴相距较近时，工件端部与喷嘴会发生干涉，只能增加二者间的距离，但由于水束稳定长度有限，两者相距较远使得加工效果不理想。水导激光器加工半封闭式零件的内壁大角度制孔，喷嘴极易与加工件干涉，致使其无法深入至零件内部，从而无法加工。

发明内容

本发明实施例提供一种水导激光装置，解决现有水导激光器难以对一些特殊结构或特殊工件进行有效加工，适用范围有限的问题。

本发明实施例提供一种水导激光装置，包括：

装置主体，所述装置主体内设有注水腔和光束腔；所述注水腔设有导光口、进水口和出水口；所述光束腔设有激光入口和与所述导光口相应的激光出口；

导向机构，所述导向机构可摆动地和/或可伸缩地与所述注水腔连接；所述导向机构内设有第一流道，所述第一流道的入口端与所述出水口连通；

喷嘴，所述喷嘴与所述第一流道的出口端连通。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述第一流道为偏轴流道，所述偏轴流道的入口端位于所述导向机构第一端的中心，所述偏轴流道的出口端位于所述导向机构第二端的边沿。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述喷嘴为射流延伸喷嘴，包括：相互连接的承载段和延伸段；

所述延伸段可在承载段内伸缩，所述承载段和所述延伸段内设有第二流道，所述第二流道与所述第一流道连通。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述第一流道、所述第二流道中设有用于激光反射的全反射镀层。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述出水口和所述喷嘴的数量为多个，所述导向机构内设有多个第一流道，每个所述第一流道的入口端均与一所述出水口连通，每个所述第一流道的出口端均与一所述喷嘴连通。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述水导激光装置还包括：

透光件，所述透光件设置在所述注水腔和所述光束腔之间，所述激光出口通过所述透光件正对所述导光口。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述水导激光装置还包括：第一密封圈和第二密封圈；

所述第一密封圈套设在所述透光件上，所述透光件通过所述第一密封圈与所述装置主体的内壁连接，所述第二密封圈套设在所述喷嘴上，所述喷嘴通过所述第二密封圈与所述导向机构连接。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述水导激光装置还包括：

光学机构，所述光学机构设置在所述光束腔中，形成透射光路和反射光路；

激光器，所述激光器设置在所述激光入口，位于所述反射光路中；

成像机构，所述成像机构设置在所述光束腔的照明光入口，位于所述透射光路中。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述光学机构包括：

半透镜，所述半透镜的透射端朝向所述成像机构，所述半透镜的反射端朝向所述激光器；

扩束镜组，所述扩束镜组位于所述激光器和所述半透镜之间的反射光路中；

活动透镜，所述活动透镜可活动设置在所述半透镜和所述激光出口之间的反射光路中。

根据本发明一个实施例提供的水导激光装置，所述活动透镜可沿垂直于激光束的传递方向和/或平行于所述激光束的传递方向活动。

本发明提供的水导激光装置，通过在装置主体内设置注水腔和光束腔，将设有流道的导向机构与注水腔连接，并将流道的出口与喷嘴连通，使得该水导激光装置在工作时，聚焦后的激光束能够依次通过流道和喷嘴对准工件，由于导向机构可摆动地和/或可伸缩地与注水腔连接，使得该水导激光装置能够针对工件的结构进行调整，满足不同的加工需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的水导激光装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的导向机构和喷嘴连接处的具体放大示意图；

图3是本发明一实施例提供的半封闭式工件内壁制孔示意图；

图4是本发明一实施例提供的第一流道的光路传导示意图；

图5是本发明另一实施例提供的导向机构和喷嘴的示意图；

附图标记：1、装置主体；11、光束腔；12、注水腔；13、半透镜；14、扩束镜组；15、活动透镜；2、导向机构；21、第一流道；22、第二流道；3、喷嘴；4、工件；5、透光件；6、第一密封圈；7、第二密封圈；8、成像机构；9、激光器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种水导激光装置，如图1所示，该水导激光装置包括：装置主体1、导向机构2和喷嘴3。

其中，装置主体1内设有注水腔12和光束腔11。注水腔12和光束腔11之间设有透光件5，透光件5一般采用二氧化硅制成的玻璃透镜。注水腔12用于导入水流，设有导光口、进水口和出水口。光束腔11用于导入激光束，设有激光入口和与导光口相应的激光出口，激光束可通过激光入口进入，从激光出口排出。激光出口通过透光件5正对导光口，从而激光出口出的激光束也通过激光出口进入导管口。导向机构2内设有第一流道21，第一流道21的入口端与出水口连通。喷嘴3与第一流道21的出口端连通。

导向机构2一般采用柔性材料制成，例如软管。在加工长型工件的大角度制孔时，将导向机构2可摆动地与注水腔12连接，可避免工件端部与喷嘴干涉。而如果将导向机构2可伸缩地与注水腔12连接，则可将其深入零件内部进行加工。

此外，根据实际加工需求，还可以同时将导向机构2可摆动地切可伸缩地与注水腔12连接，以同时满足两种加工要求。

该水导激光装置在工作时，激光束在光束腔11进行扩束和聚焦后，再进入注水腔12。高压水从进水口进入，经过出水口进入第一流道21，射出并到达工件4表面。第一流道21和喷嘴3中设有用于激光反射的全反射镀层。激光束由于发生全内反射被“锁定”在水束中并进行传导，随水束到达工件4表面将材料去除。由于导向机构2可摆动地或可伸缩地与注水腔12连接，或者同时可摆动地或可伸缩地与注水腔12连接，使得该水导激光装置能够针对工件4的结构进行调整，满足不同的加工需求。

本发明提供的水导激光装置，通过在装置主体内设置注水腔和光束腔，将设有流道的导向机构与注水腔连接，并将流道的出口与喷嘴连通，使得该水导激光装置在工作时，聚焦后的激光束能够依次通过流道和喷嘴对准工件，由于导向机构可摆动地和/或可伸缩地与注水腔连接，使得该水导激光装置能够针对工件的结构进行调整，满足不同的加工需求。

在本发明提供的实施例中，如图1、图2和图4所示，第一流道21可采用偏轴流道，偏轴流道的入口端位于导向机构2第一端的中心，偏轴流道的出口端位于导向机构2第二端的边沿。偏轴流道的直径选取受水束稳定性等因素影响，并直接决定了加工精度，一般设置在100μm左右。

偏轴流道将水束出口移至边缘处，使得工件4的端部可以置于外围，不仅可以进行直孔加工，还可以进行大角度加工，且尤其适应于大角度制孔。

根据加工要求，偏轴流道可设置倾斜段和竖直段，将倾斜段和竖直段连接，以满足流道长度的加工要求。

一般情况下，在加工半封闭式工件的内壁制孔时，近距离加工会使得工件与喷嘴发生干涉，而远距离加工会使得水束不稳定，加工效果较差。

为便于在工件4内部对其进行加工，如图3所示，喷嘴3可采用射流延伸喷嘴，射流延伸喷嘴包括：相互连接的承载段和延伸段。延伸段可在承载段内伸缩。承载段作为过渡结构，用于连接导向机构2，承载段和延伸段内设有第二流道22，第二流道22与第一流道21连通。射流延伸喷头，可深入至工件4内部进行加工，根据据实际加工的工件4特征选配不同长度的延伸喷头，适应于半封闭式工件的内壁制孔。而且射流延伸喷头结构简单、便于维修与更换。

对应地，可在第一流道21、第二流道22中均设有用于激光反射的全反射镀层。全反射镀层的材料需选择折射率小于水的材料，较例如聚四氟乙烯，从而使激光束发生全内反射被“锁定”在水束中并进行传导，最后可随水束到达工件4表面将材料去除。

为防止漏水，水导激光装置还包括：第一密封圈6和第二密封圈7。第一密封圈6用于避免注水腔12中的高压水进入光束腔11，第一密封圈6套设在透光件5上，透光件5通过第一密封圈6与装置主体1的内壁连接。第二密封圈7用于避免第一流道21中的高压水直接喷出，第二密封圈7套设在喷嘴3上，喷嘴3通过第二密封圈7与导向机构2连接。

在本发明提供的另一实施例中，如图5所示，出水口和喷嘴3的数量可设置为多个，导向机构2内设有多个第一流道21，每个第一流道21的入口端均与一出水口连通，每个第一流道21的出口端均与一喷嘴3连通。

在采用多个出水口、多个喷嘴3和多个第一流道21时，通过调整喷嘴3的开闭，高压水可从出水口进入对应的第一流道21，从开启的喷嘴3射出并到达工件4表面，使得该水导激光装置可以针对具体情况选择喷嘴3，而且现既能同轴加工又能偏轴加工，满足不同的加工需求。

如图1、图2、图3和图4所示，水导激光装置还包括：光学机构、激光器9和成像机构8。光学机构设置在光束腔11中，主要用于进行扩束和聚焦，可在光束腔11中形成透射光路和反射光路。

激光器9设置在激光入口，激光器9位于反射光路中，激光器9的波长范围一般在紫外至红外之间。为使衰减最小，可采用532nm绿光。

成像机构8为CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机设置在光束腔11的照明光入口，成像机构8位于透射光路中。注水腔12的出水口附近设有高反射镀层，高反射镀层需选择反射率尽可能高的材料，避免激光损坏相应部位，选用二氧化硅做玻璃层，背面镀银或者镀铝作为反射层从而形成高反射率镜面。

其中，光学机构包括：半透镜13、扩束镜组14和活动透镜15。半透镜13工作平面与装置主体1的轴线呈45°角安装，两个工作平面均镀635nm增透膜，朝向激光器的一面镀532nm高反膜，半透镜13的透射端朝向成像机构8，半透镜13的反射端朝向激光器9。扩束镜组14位于激光器9和半透镜13之间的反射光路中。活动透镜15可活动设置在半透镜13和激光出口之间的反射光路中。

水导激光装置在工作过程中，激光器9发出的高斯激光束经过扩束镜组14进行扩束，再经半透镜13反射后进入活动透镜15中进行聚焦，经过聚焦的光束透过玻璃窗口进入注水腔12，高压水从进水口进入注水腔12，依次经过第一流道21和喷嘴3，射出并到达工件4表面。激光束由于发生全内反射被“锁定”在水束中并进行传导，随水束到达工件4表面将材料去除。

若活动透镜15为采用竖向调整旋钮调节的聚焦透镜，则聚焦透镜可沿垂直于激光束的传递方向活动，CCD相机发出的照明光透过半透镜13，经聚焦透镜后，落在导向机构2中第一流道21的入口端，反射的照明光经过聚焦透镜和半透镜13进入CCD相机中成像。通过旋转竖向调整旋钮可以使聚焦透镜在装置主体1内上下移动，当使用CCD观察到清晰的导向机构2入水端面和最小的亮斑时，说明聚焦透镜在竖直方向上调整完毕，此时聚焦后的激光束腰恰好落在耦合端面所在水平面上。

若活动透镜15为水平调整旋钮调节的聚焦透镜，则聚焦透镜可沿平行于激光束的传递方向活动，则通过旋转水平调整旋钮可以使聚焦透镜在装置主体1内左右移动，当使用CCD观察到清晰的导向机构2入水端面和最小的亮斑时，说明聚焦透镜在左右方向上调整完毕，此时聚焦后的激光束腰恰好落在耦合端面所在竖直平面上。

如果需要同时调整竖直和水平位置，则在聚焦透镜上同时设置水平调整旋钮和竖向调整旋钮，从而聚焦透镜可同时沿垂直于和平行于激光束的传递方向活动，以同时在多个方向上调整活动透镜15在装置主体1的位置。

综上所述，本发明提供的水导激光装置，通过在装置主体内设置注水腔和光束腔，将设有流道的导向机构与注水腔连接，并将流道的出口与喷嘴连通，使得该水导激光装置在工作时，聚焦后的激光束能够依次通过流道和喷嘴对准工件，由于导向机构可摆动地和/或可伸缩地与注水腔连接，使得该水导激光装置能够针对工件的结构进行调整，满足不同的加工需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水导激光装置，其特征在于，包括：

装置主体，所述装置主体内设有注水腔和光束腔；所述注水腔设有导光口、进水口和出水口；所述光束腔设有激光入口和与所述导光口相应的激光出口；

导向机构，所述导向机构可摆动地和/或可伸缩地与所述注水腔连接；所述导向机构内设有第一流道，所述第一流道的入口端与所述出水口连通；

喷嘴，所述喷嘴与所述第一流道的出口端连通。

2.根据权利要求1所述的水导激光装置，其特征在于，所述第一流道为偏轴流道，所述偏轴流道的入口端位于所述导向机构第一端的中心，所述偏轴流道的出口端位于所述导向机构第二端的边沿。

3.根据权利要求1所述的水导激光装置，其特征在于，所述喷嘴为射流延伸喷嘴，包括：所述喷嘴为射流延伸喷嘴，包括：相互连接的承载段和延伸段；

所述延伸段可在承载段内伸缩，所述承载段和所述延伸段内设有第二流道，所述第二流道与所述第一流道连通。

4.根据权利要求3所述的水导激光装置，其特征在于，所述第一流道和所述第二流道中设有用于激光反射的全反射镀层。

5.根据权利要求1所述的水导激光装置，其特征在于，所述出水口和所述喷嘴的数量为多个，所述导向机构内设有多个第一流道，每个所述第一流道的入口端均与一所述出水口连通，每个所述第一流道的出口端均与一所述喷嘴连通。

6.根据权利要求1所述的水导激光装置，其特征在于，所述水导激光装置还包括：

透光件，所述透光件设置在所述注水腔和所述光束腔之间，所述激光出口通过所述透光件正对所述导光口。

7.根据权利要求6所述的水导激光装置，其特征在于，所述水导激光装置还包括：第一密封圈和第二密封圈；

所述第一密封圈套设在所述透光件上，所述透光件通过所述第一密封圈与所述装置主体的内壁连接，所述第二密封圈套设在所述喷嘴上，所述喷嘴通过所述第二密封圈与所述导向机构连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的水导激光装置，其特征在于，所述水导激光装置还包括：

光学机构，所述光学机构设置在所述光束腔中，形成透射光路和反射光路；

激光器，所述激光器设置在所述激光入口，位于所述反射光路中；

成像机构，所述成像机构设置在所述光束腔的照明光入口，位于所述透射光路中。

9.根据权利要求8所述的水导激光装置，其特征在于，所述光学机构包括：

半透镜，所述半透镜的透射端朝向所述成像机构，所述半透镜的反射端朝向所述激光器；

扩束镜组，所述扩束镜组位于所述激光器和所述半透镜之间的反射光路中；

活动透镜，所述活动透镜可活动设置在所述半透镜和所述激光出口之间的反射光路中。

10.根据权利要求9所述的水导激光装置，其特征在于，所述活动透镜可沿垂直于激光束的传递方向和/或平行于所述激光束的传递方向活动。

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