CN113634880B - 一种多光束水导激光加工装置与加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束水导激光加工装置与加工系统，属于激光加工技术领域，本发明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；多路激光束依次经过聚焦扩束模块、光束旋转调节模块及聚焦透镜进行处理，实现多路激光束的空间位置、角度调控及旋转，从而提高聚合后的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。

Description

一种多光束水导激光加工装置与加工系统

技术领域

本发明涉及一种多光束水导激光加工装置与加工系统，属于激光加工技术领域。

背景技术

目前，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。

GE全球研发中心发明了液核光纤激光加工技术，该技术使用特殊的微管通水传光，管壁材料的光导系数低于纯净水，可以实现光的全反射传输。可以在空气中射出层流水柱，等效于SYNOVA技术；但同时，其固定管壁允许光纤弯曲，可以深入狭窄空间或在水下进行加工。由于端部去除物对光的散射效应以及光纤头部过于接近加工区域的光纤易损性，介入式加工至今没有实现，最好记录是钻入材料约3毫米。

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。

现有的水导激光加工过程中，大功率耦合与水柱能量分布及其均匀性直接影响水导激光加工效率与深度能力。

发明内容

本发明提供了一种多光束水导激光加工装置与加工系统，能够解决大功率耦合与水柱能量分布及其均匀性影响水导激光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水导激光加工装置，包括光束旋转调节模块、液体腔室及多个聚焦扩束模块；

每个所述聚焦扩束模块用于对其对应输入的激光束进行聚焦；

所述光束旋转调节模块及所述液体腔室沿所述激光束传输的方向同轴设置；

所述光束旋转调节模块用于对经过聚焦后的多路所述激光束进行偏心处理，并将经过偏心处理的所述激光束入射至所述液体腔室内；

所述液体腔室，用于将经过偏心处理的所述激光束沿所述液体腔室出射的水柱传输，利用水柱中的激光对工件进行切割；

经偏心处理后的所述激光束中一路聚焦耦合在所述水柱中心轴处，其余一路或多路聚焦耦合在所述水柱内且位于所述中心轴外围。

可选的，所述光束旋转调节模块包括沿所述激光束传输方向设置的上透镜及下透镜；

通过调整所述上透镜与所述下透镜之间的距离及角度来调整所述激光束的偏心距离。

可选的，所述加工装置还包括框架结构，所述聚焦扩束模块、所述光束旋转调节模块及所述液体腔室均设置在所述框架结构内；

所述光束旋转调节模块与所述框架结构滚动连接，用于控制经过所述聚焦扩束模块处理后的所述激光束沿所述光束旋转调节模块与所述液体腔室所在轴线做回转体运动。

可选的，所述加工装置还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜同轴设置在所述光束旋转调节模块与所述液体腔室之间；

所述聚焦透镜用于将经偏心处理的所述激光束聚焦后入射至所述液体腔室内。

可选的，所述液体腔室包括第一腔体、窗口透镜和液体出口；

所述窗口透镜同轴固定设置在所述第一腔体的顶壁上，用于透射经过所述聚焦透镜聚焦的所述激光束；

所述窗口透镜还用于保持所述第一腔体内处于高压环境；

所述液体出口设置在所述第一腔体的底壁上，用于喷射出高压层流的水柱；

所述聚焦透镜的焦点位于所述液体出口处。

可选的，所述第一腔体侧壁上均匀设置有多个进液口，所述第一腔体内部靠近所述进液口处呈环状设置有多孔过滤单元。

可选的，所述加工装置还包括气体腔室，所述气体腔室同轴设置在所述液体腔室靠近所述液体出口一侧；

所述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。

可选的，所述气体腔室包括第二腔体及气液出口，所述气液出口与所述液体出口同轴设置；

经所述聚焦扩束模块聚焦后的所述激光束的焦点位于所述液体出口与所述气液出口之间。

可选的，所述第二腔体侧壁上均匀设置有多个进气口，所述第二腔体内部靠近所述进气口呈环状设置有气体过滤元件。

另一方面，本发明提供了一种多光束水导激光加工系统，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；多路激光束依次经过聚焦扩束模块、光束旋转调节模块及聚焦透镜进行处理，实现多路激光束的空间位置、角度调控及旋转，从而提高聚合后的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。

本发明通过调节水柱中激光能量分布，提高激光切割效率与切割质量；本发明具有大深度介入式加工能力，突破传统激光加工的深度极限；本发明技术成本低，技术难度小，对航空及民用领域厚度较大(＞10mm)材料加工具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的多光束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水导激光加工装置的水柱中光斑分布示意图；

图4为本发明实施例的多光束水导激光加工装置的旋转光束耦合加工结构示意图；

图5为本发明实施例的多光束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、聚焦扩束模块A；3、光束B；4、聚焦扩束模块B；5、液体腔室；51、第一腔体；52、窗口透镜；53、液体出口；54、进液口；55、多孔过滤单元；6、光束旋转调节模块；61、上透镜；62、下透镜；7、气体腔室；71、第二腔体；72、气液出口；73、进气口；74、气体过滤元件；8、框架结构；9、聚焦透镜；10、电控模块；11、激光发生器；12、光学元件；13、气体传输模块；14、流体传输模块；15、工件；16、激光加工装置；17、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。

如图1、图2所示，一方面本发明实施例提供了一种多光束水导激光加工装置16，包括光束旋转调节模块6、液体腔室5、聚焦透镜9及多个聚焦扩束模块。

每个聚焦扩束模块用于对其对应输入的激光束进行聚焦。

光束旋转调节模块6及液体腔室5沿激光束传输的方向同轴设置。

光束旋转调节模块6用于对经过聚焦后的多路激光束进行偏心处理，并将经过偏心处理的激光束入射至液体腔室5内。

经偏心处理后的激光束中一路聚焦耦合在水柱中心轴处，其余一路或多路聚焦耦合在水柱内且位于中心轴外围。

聚焦透镜9同轴设置在光束旋转调节模块6与液体腔室5之间；聚焦透镜9用于将经偏心处理的激光束聚焦后入射至液体腔室5内。

液体腔室5，用于将经过聚焦透镜9处理的激光束沿液体腔室5出射的水柱传输，利用水柱中的激光对工件15进行切割。

本申请其中一实施例中，多路激光束布置时，通过其中一个聚焦扩束模块的激光束与液体腔室5同轴设置，通过其余多路聚焦扩束模块的激光束朝向同轴设置的激光束倾斜设置。

本申请另一实施例中，没有与液体腔室5同轴设置的激光束，通过多路聚焦扩束模块的激光束均朝向光束旋转调节模块6与聚焦透镜9所在轴线倾斜设置。

如图1、图4所示，光束旋转调节模块6包括沿激光束传输方向设置的上透镜61及下透镜62。通过调整上透镜61与下透镜62之间的距离及角度来调整激光束的偏心距离，即将激光束按照要求在径向截面内偏移一段距离。

加工装置还包括框架结构8，聚焦扩束模块、光束旋转调节模块6、聚焦透镜9及液体腔室5均设置在框架结构8内。

光束旋转调节模块6可与框架结构8固定连接，聚焦透镜9与框架结构8固定连接。

光束旋转调节模块6也可与框架结构8滚动连接，用于控制经过聚焦扩束模块处理后的激光束沿光束旋转调节模块6与液体腔室5所在轴线做回转体运动。

液体腔室5包括第一腔体51、窗口透镜52和液体出口53；窗口透镜52同轴固定设置在第一腔体51的顶壁上，用于透射经过聚焦透镜9聚焦的激光束，窗口透镜52还用于保持第一腔体51内处于高压环境。

液体出口53设置在第一腔体51的底壁上，用于喷射出高压层流的水柱，聚焦透镜9的焦点位于液体出口53处。本实施例中液体出口53为精密薄壁圆孔。

第一腔体51侧壁上均匀设置有多个进液口54，第一腔体51内部靠近进液口54处呈环状设置有多孔过滤单元55。本实施例中，液体腔室5内通入的液体为水。

加工装置还包括气体腔室7，气体腔室7同轴设置在液体腔室5靠近液体出口53一侧；气体腔室7用于对从液体腔室5出射的水柱进行气体保护。

气体腔室7包括第二腔体71及气液出口72，气液出口72与液体出口53同轴设置；经聚焦扩束模块聚焦后的激光束的焦点位于液体出口53与气液出口72之间。第二腔体71侧壁上均匀设置有多个进气口73，第二腔体71内部靠近进气口73呈环状设置有气体过滤元件74。

如图1、图2所示，激光束在水柱表面进行全反射传导，最终激光束与水柱一同到达工件15表面，完成对工件15的加工。

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。

如图3所示，通过本发明的多光束水导激光加工装置16对入射的激光束进行处理，可有效地增大水柱中激光束的功率密度，并将水柱中原处于类高斯分布的能量转变为环状均匀光斑或者类均匀光斑。水柱中的激光束能量分布均能形成环状分布或类均匀分布。

本发明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；多路激光束依次经过聚焦扩束模块、光束旋转调节模块6及聚焦透镜9进行处理，实现多路激光束的空间位置、角度调控及旋转，从而提高聚合后的激光束的光斑均匀性，最终实现对工件15的高功率、零锥度及大深度加工。

如图5所示，另一方面本发明实施例提供了一种多光束水导激光加工系统，包括电控模块10、激光发生器11、光学元件12、气体传输模块13、流体传输模块14及上述的激光加工装置16。

电控模块10用于控制激光发生器11、流体传输模块14及气体传输模块13的开启与关闭。

激光发生器11用于产生激光束，产生的激光束通过光学元件12传导进入激光加工装置16。

流体传输模块14用于提供高压流体，产生的高压流体输入至激光加工装置16的液体腔室5中。

气体传输模块13用于提供高压气体，产生的高压气体输入至激光加工装置16的气体腔室7中。

激光加工装置16用于利用激光发生器11产生的激光对工件15进行切割。

激光加工装置16还包括蓄能装置17，用于为水柱蓄能。

本申请一实施例中，如图1、图2、图3及图5所示，通过电控模块10打开流体传输模块14开关及气体传输模块13开关，使流体物质以一定压力充满蓄能装置17及液体腔室5，并在气体辅助下形成受保护的高速层流水柱，高速层流水柱从气液出口72喷出，本实施例中流体物质为水。

通过电控模块10打开激光发生器11的开关，发射多路激光束，利用光学元件12反射激光束，将多路激光束导入激光加工装置16内。激光束在激光加工装置16内依次通过聚焦扩束模块、光束旋转调节模块6和聚焦透镜9聚焦处理，再经过窗口透镜52处理、液体腔室5蓄能效应、气体腔室7保护及水柱水气层流界面全反射效应，之后将处理后的激光束传输至工件15表面，进行材料去除加工。

本实施例中多路激光束包括光束A1与光束B3，入射进激光加工装置16时，光束A1与光束B3平行，且与光束旋转调节模块6及聚焦透镜9所在轴线平行，聚焦扩束模块包括聚焦扩束模块A2与聚焦扩束模块B4，光束A1对应入射进聚焦扩束模块A2，光束B3对应入射至聚焦扩束模块B4，之后射入光束旋转调节模块6。

随着激光束对工件15加工的进行，激光加工装置16喷射出的水柱能到达工件15内部，实现对工件15的高效、稳定、无热影响、大深度去除加工。

本申请另一实施例中，如图2、图3、图4及图5所示，通过电控模块10打开流体传输模块14开关及气体传输模块13开关，使流体物质以一定压力充满蓄能装置17及液体腔室5，并在气体辅助下形成受保护的高速层流水柱，高速层流水柱从气液出口72喷出，本实施例中流体物质为水。

通过电控模块10打开激光发生器11的开关，发射一路或多路激光束，利用光学元件12反射激光束，将激光束导入激光加工装置16内。一路或多路激光束通过一路或多路聚焦扩束模块，使一路较大直径激光束的部分激光束或者一路较小直径的激光束与光束旋转调节模块6及聚焦透镜9所在轴线同轴设置，同轴设置的激光束通过光束旋转调节模块6沿轴线传输；剩余较大直径激光束的部分激光束或者多路绕轴线均布的较小激光束通过光束旋转调节模块6的上透镜61和下透镜62的折射作用将激光束偏离到远离轴线位置。

本实施例中激光发生器11发射的激光束为一路即光束A1，聚焦扩束模块为一个即聚焦扩束模块A2，通过光束旋转调节模块6将光束A1处理为一路与光束旋转调节模块6及聚焦透镜9所在轴线同轴的激光束和一路偏离到远离同轴激光束的激光束。

处理后的激光束依次经过聚焦透镜9聚焦处理，再经过窗口透镜52处理、液体腔室5蓄能效应、气体腔室7保护及水柱水气层流界面全反射效应，之后将处理后的激光束传输至工件15表面，进行材料去除加工。

随着激光束对工件15加工的进行，激光加工装置16喷射出的水柱能到达工件15内部，实现对工件15的高效、稳定、无热影响、大深度去除加工。

本发明能调节水柱中激光能量分布，提高激光切割效率与切割质量；本发明具有大深度介入式加工能力，突破传统激光加工的深度极限；本发明技术成本低，技术难度小，对航空及民用领域厚度较大(＞10mm)材料加工具有重要意义。

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 (7)

1.一种多光束水导激光加工装置，其特征在于，包括光束旋转调节模块、液体腔室及多个聚焦扩束模块；

每个所述聚焦扩束模块用于对其对应输入的激光束进行聚焦；

所述光束旋转调节模块及所述液体腔室沿所述激光束传输的方向同轴设置；

所述光束旋转调节模块用于对经过聚焦后的多路所述激光束进行偏心处理，并将经过偏心处理的所述激光束入射至所述液体腔室内；

所述液体腔室，用于将经过偏心处理的所述激光束沿所述液体腔室出射的水柱传输，利用水柱中的激光对工件进行切割，

经偏心处理后的所述激光束中一路聚焦耦合在所述水柱中心轴处，其余一路或多路聚焦耦合在所述水柱内且位于所述中心轴外围；

所述光束旋转调节模块包括沿所述激光束传输方向设置的上透镜及下透镜；

通过调整所述上透镜与所述下透镜之间的距离及角度来调整所述激光束的偏心距离；

所述加工装置还包括框架结构，所述聚焦扩束模块、所述光束旋转调节模块及所述液体腔室均设置在所述框架结构内；

所述光束旋转调节模块与所述框架结构滚动连接，用于控制经过所述聚焦扩束模块处理后的所述激光束沿所述光束旋转调节模块与所述液体腔室所在轴线做回转体运动；

所述加工装置还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜同轴设置在所述光束旋转调节模块与所述液体腔室之间；

所述聚焦透镜用于将经偏心处理的所述激光束聚焦后入射至所述液体腔室内。

2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述液体腔室包括第一腔体、窗口透镜和液体出口；

所述窗口透镜同轴固定设置在所述第一腔体的顶壁上，用于透射经过所述聚焦透镜聚焦的所述激光束；

所述窗口透镜还用于保持所述第一腔体内处于高压环境；

所述液体出口设置在所述第一腔体的底壁上，用于喷射出高压层流的水柱；

所述聚焦透镜的焦点位于所述液体出口处。

3.根据权利要求2所述的加工装置，其特征在于，所述第一腔体侧壁上均匀设置有多个进液口，所述第一腔体内部靠近所述进液口处呈环状设置有多孔过滤单元。

4.根据权利要求2所述的加工装置，其特征在于，所述加工装置还包括气体腔室，所述气体腔室同轴设置在所述液体腔室靠近所述液体出口一侧；

所述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。

5.根据权利要求4所述的加工装置，其特征在于，所述气体腔室包括第二腔体及气液出口，所述气液出口与所述液体出口同轴设置；

经所述聚焦扩束模块聚焦后的所述激光束的焦点位于所述液体出口与所述气液出口之间。

6.根据权利要求5所述的加工装置，其特征在于，所述第二腔体侧壁上均匀设置有多个进气口，所述第二腔体内部靠近所述进气口呈环状设置有气体过滤元件。

7.一种多光束水导激光加工系统，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1～6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。