CN113634879B - 一种多光束射流耦合水导激光加工装置及加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束射流耦合水导激光加工装置及加工系统，属于激光加工技术领域，本发明的加工装置通过将多路激光束导入水柱，提高了激光束在水柱的耦合功率；通过光束耦合单元调控多路激光束的空间位置及角度，从而提高输出激光束的光斑均匀性，最终实现对工件的高功率、零锥度及大深度加工；本发明的加工系统具有系统可靠性高、加工深度大及维护成本低的优点。

Description

一种多光束射流耦合水导激光加工装置及加工系统

技术领域

本发明涉及一种多光束射流耦合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

常规激光加工的效率和质量随着深度增加而快速下降，原因在于聚焦式激光加工的加工锥度效应，使得此种方法存在深度极限；热量的不断积累使材料热影响严重。因此，实现低热影响、大深度介入式加工是激光加工界的重大问题。

公知的短脉冲干式激光加工为主，其在浅层材料的瞬时去除效率和热影响控制方面是有优势，但仍存在突出问题：孔加工有锥度，深度能力欠缺，大深度(>5毫米)加工时丧失短脉冲优势。

为了解决激光加工过程中材料的热影响，拓展加工深度，SYNOVA公司展开了微射流型水助激光加工技术。以SYNOVA公司为代表的微射流型水助激光加工技术对多种材料的穿透性切割具有优异的加工性能，相对干式激光加工具有加工锥度明显减小、加工热影响小、表面清洁等一系列优势，但该技术很难保持大深度加工的高效率，深度能力在10毫米左右遇到极限；另外，该技术为了保证可靠性，激光传输强度不宜太高，限制了耦合功率的提高，影响加工速度。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研发的“一种激光加工头及其应用、激光加工系统及方法”专利，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；“一种旋转式水导激光加工系统及方法”专利，可以进行大深度激光加工；“一种大功率耦合激光加工装置和激光加工系统”专利，使用全反射涂层及旋转水导激光的方法，提高激光耦合功率，进一步拓展了激光加工的深度能力；“一种旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法”专利，利用旋转激光加工的方式改善加工深度。

目前，水导激光加工过程中，大功率耦合与水柱能量分布的均匀性直接影响其加工效率与深度能力。

发明内容

本发明提供了一种多光束射流耦合水导激光加工装置及加工系统，能够解决大功率耦合与水柱能量分布的均匀性影响工件加工效率与深度能力的问题。

一方面，本发明提供了一种多光束射流耦合水导激光加工装置，包括光束耦合单元及液体腔室；

所述光束耦合单元与所述液体腔室沿激光束传输方向依次设置；

所述光束耦合单元包括至少两个扩束聚焦模块，每个所述扩束聚焦模块用于对与其对应输入的一路激光束进行聚焦处理；

所述扩束聚焦模块的空间位置及角度可调，用于调整所述激光束经所述扩束聚焦模块聚焦后的焦点的位置及姿态角度；

所述液体腔室用于将经过所述光束耦合单元聚焦的所述激光束沿所述液体腔室出射的水柱传输，利用所述水柱中的所述激光束切割工件。

可选的，每个所述扩束聚焦模块均包括沿所述激光束传输方向依次设置的扩束子模块及聚焦子模块；

每个所述扩束子模块用于调整所述激光束的光束直径及发散角；

每个所述聚焦子模块用于将经过所述扩束子模块处理的所述激光束进行聚焦。

可选的，每个所述扩束聚焦模块沿其所在轴线沿轴向作回转体运动或静止不动。

可选的，所述扩束聚焦模块为2-3个。

可选的，所述液体腔室包括腔体、窗口透镜及液体缩流口；

所述窗口透镜及所述液体缩流口分别设置在所述腔体的顶壁和底壁上；

所述窗口透镜用于透射经所述光束耦合单元聚焦后的所述激光束，所述液体缩流口用于出射所述激光束及水柱；

优选的，所述腔体侧壁均匀设置有多个进液口，所述腔体内靠近所述进液口处呈环形设置有液体过滤结构；

优选的，所述液体过滤结构为多孔树脂元件；

优选的，所述进液口通入的液体为水。

可选的，所述激光加工装置还包括气体腔室，用于对从所述液体腔室出射的所述水柱进行气体保护；

所述气体腔室底壁开设有气液缩流口，所述气液缩流口与所述液体缩流口同轴设置；

优选的，所述气体腔室侧壁上均匀设置有多个进气口，所述气体腔室靠近所述进气口处呈环形设置有气体过滤结构。

可选的，所述液体缩流口的出口截面积大于所述气液缩流口的出口截面积。

可选的，经所述扩束聚焦模块聚焦处理后的所述激光束的焦点位于所述液体缩流口与所述气液缩流口之间的水柱内。

可选的，多个所述扩束聚焦模块的输入激光束中存在一路激光束与所述液体缩流口同轴设置，其余一路或多路激光束倾斜设置在所述同轴设置的激光束的周围；

或多个所述扩束聚焦模块的输入激光束均设置在所述液体缩流口与所述气液缩流口所在轴线周围。

另一方面，本发明提供了一种多光束射流耦合水导激光加工系统，包括电控模块、激光发生器、光学元件、气体传输模块、流体传输模块及上述任一项所述的激光加工装置；

所述电控模块用于控制所述激光发生器、所述流体传输模块及所述气体传输模块的开启与关闭；

所述激光发生器用于产生激光束，产生的所述激光束通过所述光学元件传导进入所述激光加工装置；

所述流体传输模块用于提供高压流体，产生的高压流体输入至所述激光加工装置的液体腔室中；

所述气体传输模块用于提供高压气体，产生的高压气体输入至所述激光加工装置的气体腔室中；

所述激光加工装置用于利用所述激光发生器产生的激光对工件进行切割。

本发明能产生的有益效果包括：

本发明的多光束射流耦合水导激光加工装置通过将多路激光束导入水柱，提高了激光束在水柱的耦合功率；通过光束耦合单元调控多路激光束的空间位置及角度，从而提高输出激光束的光斑均匀性，最终实现对工件的高功率、零锥度及大深度加工；本发明的多光束射流耦合水导激光加工系统具有系统可靠性高、加工深度大及维护成本低的优点。

本发明通过多光束耦合的方法调节水柱中激光能量分布状态，具有技术成本低，技术难度小的优点，有效地提高了激光加工装置的加工效率，对航空航天及民用领域大厚度(＞10mm)材料加工具有重要意义。

本发明具有的大深度介入式加工能力，突破了传统激光加工的深度极限。

附图说明

图1为本发明实施例的多光束射流耦合水导激光加工装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的多光束射流耦合水导激光加工装置的水导激光束传导示意图；

图3为本发明实施例的多光束射流耦合水导激光加工装置的水柱能量分布及耦合示意图；

图4为本发明实施例的多光束射流耦合水导激光加工系统的系统框图。

部件和附图标记列表：

1、光束A；2、光束B；3、光束耦合单元；4、扩束聚焦模块；41、扩束子模块；42、聚焦子模块；5、液体腔室；51、腔体；52、窗口透镜；53、液体缩流口；54、进液口；55、液体过滤结构；6、气体腔室；61、气液缩流口；62、进气口；63、气体过滤结构；7、工件；8、电控模块；9、激光发生器；10、光学元件；11、气体传输模块；12、流体传输模块；13、激光加工装置；14、蓄能装置。

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。

一方面本发明提供了一种多光束射流耦合水导激光加工装置，如图1、图2所示，包括光束耦合单元3、液体腔室5及气体腔室6，光束耦合单元3、液体腔室5及气体腔室6沿激光束传输方向依次设置。

光束耦合单元3包括至少两个扩束聚焦模块4；优选的，扩束聚焦模块4为2-3个，每个扩束聚焦模块4用于对与其对应输入的一路激光束进行聚焦处理。扩束聚焦模块4的空间位置及角度可调，用于调整激光束经扩束聚焦模块4聚焦后的焦点的位置及姿态角度。

具体的，根据水柱中能量分布需求，调整激光束的数量、位置及姿态角度。

光束耦合单元3还包括结构框架，用于固定扩束聚焦模块4。

每个扩束聚焦模块4沿其所在轴线沿轴向作回转体运动或静止不动。

具体的，每个扩束聚焦模块4均包括沿激光束传输方向依次设置的扩束子模块41及聚焦子模块42；每个扩束子模块41用于调整激光束的光束直径及发散角；每个聚焦子模块42用于将经过扩束子模块41处理的激光束进行聚焦。

液体腔室5用于将经过光束耦合单元3聚焦的激光束沿液体腔室5出射的水柱传输，利用水柱中的激光束切割工件7。

具体的，液体腔室5包括腔体51、窗口透镜52及液体缩流口53，窗口透镜52及液体缩流口53分别设置在腔体51的顶壁和底壁上；窗口透镜52用于透射经光束耦合单元3聚焦后的激光束，液体缩流口53用于出射激光束及水柱。

腔体51侧壁均匀设置有多个进液口54，腔体51内靠近进液口54处呈环形设置有液体过滤结构55。本实施例中，液体过滤结构55为多孔树脂元件。进液口54通入的液体为水。

气体腔室6用于对从液体腔室5出射的水柱进行气体保护。

具体的，气体腔室6底壁开设有气液缩流口61，气液缩流口61与液体缩流口53同轴设置。气体腔室6侧壁上均匀设置有多个进气口62，气体腔室6靠近进气口62处呈环形设置有气体过滤结构。且液体缩流口53的出口截面积大于气液缩流口61的出口截面积。

流体经液体缩流口53喷出，并在气体腔室6内气体的包覆及压缩下与气体一同从气液缩流口61以流层状态稳定流出。

经扩束聚焦模块4聚焦处理后的激光束的焦点位于液体缩流口53与气液缩流口61之间的水柱内。

本申请其中一实施例中，多个扩束聚焦模块4的输入激光束中存在一路激光束与液体缩流口53同轴设置，其余一路或多路激光束倾斜设置在同轴设置的激光束的周围。

如图1、图2所示，本实施例中，扩束聚焦模块4为两个，通过两扩束聚焦模块4的激光束分别为光束A1与光束B2，光束A1与液体缩流口53同轴设置，光束B2倾斜设置在光束A1左侧。

本申请另一实施例中，多个扩束聚焦模块4的输入激光束周向均匀设置在液体缩流口53与气液缩流口61所在轴线周围。

激光束在液体缩流口53与气液缩流口61之间的水柱表面发生全反射，最终激光束与水柱一同到达工件7表面，完成对工件7的加工。

如图3所示，与液体缩流口53同轴设置的同轴激光束在水柱内的激光能量分部为类高斯分布，设置在液体缩流口53与气液缩流口61所在轴线周围的激光束在水柱内的激光能量分布呈环形分布，相比较于传统的单光束耦合水导激光加工技术，采用本发明的方案使激光束在水柱内的能量分布更加均匀。

为保证激光束在水柱水气界面的全反射效应，出射的激光束应满足如下条件：

其中，θ1为激光束与水柱水气层流界面的入射角，θ2为折射角，n1为激光束与水的折射率，n2为激光束与气体的折射率。

当θ2为90度，即激光束在水柱水气层流界面发生全反射的临界角度时，计算得到的θ1即为激光与水气层流界面发生全反射的最小入射角，满足激光束与水柱水气层流界面入射角不小于θ1，那么激光就能在水气层流界面发生全反射。

另一方面，如图4所示，本发明公开了一种多光束射流耦合水导激光加工系统，包括电控模块8、激光发生器9、光学元件10、气体传输模块11、流体传输模块及上述的激光加工装置13。

电控模块8用于控制激光发生器9、流体传输模块及气体传输模块11的开启与关闭。

激光发生器9用于产生激光束，产生的激光束通过光学元件10传导进入激光加工装置13。

激光加工装置13还包括蓄能装置14，用于为水柱蓄能。

流体传输模块用于提供高压流体，产生的高压流体输入至激光加工装置13的液体腔室5中。

气体传输模块11用于提供高压气体，产生的高压气体输入至激光加工装置13的气体腔室6中。

激光加工装置13用于利用激光发生器9产生的激光对工件7进行切割。

如图1-4所示，多光束射流耦合水导激光加工系统工作时，通过电控模块8打开流体传输模块开关，本实施例中流体为水，流体经过进液口54充满液体腔室5，并以层流形式进入气体腔室6；通过电控模块8打开气体传输模块11开关，气体经进气口62进入气体腔室6，气体将层流形式的流体包裹、压缩形成水柱，一同从气液缩流口61流出。

打开多路激光发生器9的开关，产生的激光束依次经扩束聚焦模块4、窗口透镜52及液体腔室5，聚焦于液体缩流口53下沿位置，经过水柱水气界面的全反射效应，将激光束沿水柱传导至工件7表面对工件7进行加工。

本申请其中一实施例中，多路扩束聚焦模块4中其中一路与窗口透镜52及液体腔室5的中心轴同轴设置，其余一路或多路扩束聚焦模块4设置在同轴设置的一路扩束聚焦模块4周围，且经过上述多路扩束聚焦模块4聚焦处理后的激光束的焦点位于液体缩流口53下沿与气液缩流口61之间的水柱内部。

本申请另一实施例中，多路扩束聚焦模块4与窗口透镜52及液体腔室5的中心轴均不同轴设置，即多路扩束聚焦模块4均设置在上述中心轴周围，且经过上述多路扩束聚焦模块4聚焦处理后的激光束的焦点位于液体缩流口53下沿与气液缩流口61之间的水柱内部。

在激光束对工件7加工的过程中，激光束与水柱水气层流界面入射角不小于θ1。

随着上述加工系统的控制及运作，最终实现对工件7的高效、温度、无热影响及大深度去除加工。

以上，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 (9)

1.一种多光束射流耦合水导激光加工装置，其特征在于，包括光束耦合单元及液体腔室；

所述光束耦合单元与所述液体腔室沿激光束传输方向依次设置；

所述光束耦合单元包括至少两个扩束聚焦模块，每个所述扩束聚焦模块用于对与其对应输入的一路激光束进行聚焦处理；

所述扩束聚焦模块的空间位置及角度可调，用于调整所述激光束经所述扩束聚焦模块聚焦后的焦点的位置及姿态角度；

所述液体腔室用于将经过所述光束耦合单元聚焦的所述激光束沿所述液体腔室出射的水柱传输，利用所述水柱中的所述激光束切割工件；

其中，所述液体腔室包括液体缩流口，用于出射所述激光束及水柱；

多个所述扩束聚焦模块的输入激光束中存在一路激光束与所述液体缩流口同轴设置，其余一路或多路激光束倾斜设置在所述同轴设置的激光束的周围；

每个所述扩束聚焦模块均包括沿所述激光束传输方向依次设置的扩束子模块及聚焦子模块；

每个所述扩束子模块用于调整所述激光束的光束直径及发散角；

每个所述聚焦子模块用于将经过所述扩束子模块处理的所述激光束进行聚焦；

所述激光加工装置还包括气体腔室，用于对从所述液体腔室出射的所述水柱进行气体保护；

所述气体腔室底壁开设有气液缩流口，所述气液缩流口与所述液体缩流口同轴设置；

所述焦点位于所述液体缩流口与所述气液缩流口之间的水柱内；

激光束在所述液体缩流口与所述气液缩流口之间的水柱表面发生全反射，最终激光束与水柱一同到达工件表面，完成对工件的加工。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述扩束聚焦模块为2-3个。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述液体腔室还包括腔体、窗口透镜；

所述窗口透镜及所述液体缩流口分别设置在所述腔体的顶壁和底壁上；

所述窗口透镜用于透射经所述光束耦合单元聚焦后的所述激光束，所述液体缩流口用于出射所述激光束及水柱。

4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，所述腔体侧壁均匀设置有多个进液口，所述腔体内靠近所述进液口处呈环形设置有液体过滤结构。

5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，所述液体过滤结构为多孔树脂元件。

6.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，所述进液口通入的液体为水。

7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述气体腔室侧壁上均匀设置有多个进气口，所述气体腔室靠近所述进气口处呈环形设置有气体过滤结构。

8.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述液体缩流口的出口截面积大于所述气液缩流口的出口截面积。

9.一种多光束射流耦合水导激光加工系统，其特征在于，包括电控模块、激光发生器、光学元件、气体传输模块、流体传输模块及权利要求1-8任一项所述的激光加工装置；

所述电控模块用于控制所述激光发生器、所述流体传输模块及所述气体传输模块的开启与关闭；

所述激光发生器用于产生激光束，产生的所述激光束通过所述光学元件传导进入所述激光加工装置；

所述流体传输模块用于提供高压流体，产生的高压流体输入至所述激光加工装置的液体腔室中；

所述气体传输模块用于提供高压气体，产生的高压气体输入至所述激光加工装置的气体腔室中；

所述激光加工装置用于利用所述激光发生器产生的激光对工件进行切割。