CN117086477A - 多重水-气复合模式下的水导激光加工装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多重水‑气复合模式下的水导激光加工装置及其加工方法。光‑水耦合装置(2)与环形水射流装置(3)之间夹层中设有辅助气氛输入气路(9)，辅助气氛输入气路(9)将辅助气氛通过环形气体喷嘴(6)喷出形成辅助气流层(8)，光‑水耦合装置(2)下端设置喷嘴(4)，环形水射流装置(3)底部设置环形液体喷嘴(5)，光水耦合装置(2)用于将激光束(1)与内部液体耦合后从喷嘴(4)喷出单道水射流(10)，环形水射流装置(3)用于将内部液体从环形液体喷嘴(5)喷出后形成围绕导光水射流(10)的环形水帘(7)，环形水帘(7)将辅助气流层(8)包覆其中。本发明用以实现有效延长稳定射流长度。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种多重水-气复合模式下的水导激光加工装置及其加工方法。
背景技术
在航天设备、医疗器械、半导体微细加工等高端制造企业中，许多关键精密部件制造时对加工精度、效率、热损伤、断口质量等都有极高的技术要求，常规加工方式难以有效兼顾上述需求。水导激光技术是一种绿色、高效精密加工技术，其原理是将高能激光束耦合进入微细水射流中，并由水射流将激光引导到工件表面实现对工件的切割、打孔、划槽等精密热加工，同时水射流可以将多余的热量及残渣带走。所以水导激光技术可以实现“冷热源”模式下的高密度能量的精准控制，进而获得超精密、高效、高质量的切口，非常适合于高温合金、晶圆、碳纤维等材料的精细加工和生物医疗器械的零部件加工。但是，决定水导激光精密加工能力的最关键因素有两个，分别是水射流直径和稳定水射流长度。因为，水导激光的水射流直径对于加工精度的影响非常大，喷嘴直径越小，喷出的水射流直径越小，加工精度也越高。此外，水导激光的加工深度及加工距离都取决于导光水射流的稳定长度，即导光水射流中导光效果最佳的射流段长度，该射流段具有表面光洁、平滑、液流呈紧密的圆柱形态等特征。所以行业内对这两项技术指标都极为关注。然而，这两个指标又很难实现一致性增强。因为，高压水射流从喷嘴射出后都会与周围空气发生剧烈的摩擦，引起内部稳定层流状态逐渐紊乱，所以水射流喷出一定距离后便会脱离稳定状态，产生破裂、形成水滴而导致光-水耦合通道遭到破坏。研究表明，直径越小的水射流受到这种影响也越大，稳定水射流长度也越短。即便有研究人员通过在水射流喷嘴处施加辅助气氛，在一定程度上起到隔绝空气延长稳定液流长度的作用，但辅助气氛喷出后也会与周围的空气产生剧烈摩擦，所以辅助气氛可保持紧密状态的距离也极为有限，扩散一段距离后保护效果也随即消失。因此，目前的水导激光技术在加工精度和加工厚度方面仍然是一对矛盾体，很难同时保证。
水导激光加工时，微细的导光水射流在喷射过程中，极易受到周围空气的剧烈摩擦而逐渐脱离稳定状态，导致稳定导光通道遭到破坏，所以如何有效延长稳定射流长度是一项关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在水射流直径不变的情况下有效延长稳定水射流长度及增强加工稳定性的多重水-气复合模式下的水导激光加工装置及其加工方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多重水-气复合模式下的水导激光加工装置，所述水导激光加工装置包括光-水耦合装置2、环形水射流装置3、喷嘴4和环形液体喷嘴5、辅助气氛输入气路9，
所述光-水耦合装置2与环形水射流装置3之间夹层中设有辅助气氛输入气路9，所述辅助气氛输入气路9将辅助气氛通过环形气体喷嘴6喷出形成辅助气流层8，所述光-水耦合装置2下端设置喷嘴4，所述环形水射流装置3底部设置环形液体喷嘴5，所述光水耦合装置2用于将激光束1与内部液体耦合后从喷嘴4喷出单道水射流10，所述环形水射流装置3用于将内部液体从环形液体喷嘴5喷出后形成围绕导光水射流10的环形水帘7，所述环形水帘7将辅助气流层8包覆其中。
进一步的，所述单道水射流10、辅助气流层8及环形水帘7为由内至外的同轴复合结构，即多重水-气-水模式下的内外同轴复合结构。
进一步的，所述环形水射流装置3连接在光水耦合装置2的下端。
进一步的，所述光水耦合装置2上方位置设置激光发射装置用于发射激光束1到光水耦合装置2内。
进一步的，所述激光束1为单能束或复合能束。
进一步的，所述光水耦合装置2和环形水射流装置3均设置高压水进口。
一种多重水-气复合模式下的水导激光加工方法，所述水导激光加工方法包括以下步骤：
步骤1：将所述水导激光加工装置内的水在压力作用下高速喷出形成单道水射流；
步骤2：同轴复合一道辅助气氛将步骤1形成的单道水射流包裹其中，并在辅助气氛外再同轴复合另外一道环形水帘，形成多重水-气-水模式下的内外同轴复合结构；
步骤3：将高能束激光耦合进入到步骤1形成的单道水射流中形成导光水射流，并与辅助气氛及环形水帘一同喷射至待加工工件表面。
进一步的，所述步骤1的单道水射流直径在10-600μm，水压范围0-100MPa。
进一步的，所述步骤2的辅助气氛气体压强在0.1-10MPa。
进一步的，所述光-水耦合装置及环形水射流装置内的水包括纯净水或蒸馏水或符合导光要求的其它液体。
本发明的有益效果是：
本发明在水射流直径不变的情况下有效延长稳定水射流长度及增强加工稳定性。
本发明用于改善水导激光切割、打孔、划槽等加工中的稳定射流长度、加工稳定性及抗干扰能力。
本发明对于稳定水射流长度的延长效果要明显优于常规辅助气氛保护方法。常规辅助气氛保护方法是在导光水射流外施加一道同轴辅助气氛，虽然能在一定程度上起到隔绝空气延长导光水射流稳定长度的作用，但是辅助气氛直接和空气接触同样会受到环境阻力的剧烈摩擦，所以辅助气氛可保持紧密状态的距离也极为有限，喷射一段距离后气流运动就会偏离轴线方向向外扩散，并且气流的致密度和均匀性也会同时下降。此时，外部气体将会以紊流形式进入其内部，对导光水射流形成干扰，辅助气氛的保护效果也随即消失。而本发明的多重水-气复合设计，即在原来的辅助气氛外又增加了一道环形水帘，其目的是由于水的密度远大于气体密度，所以环形水帘喷出后冲量更大，更不容易被周围气氛所影响导致喷射形态遭到破坏，因此环形水帘比单独喷射辅助气氛的稳定性及致密性更佳，稳定喷射距离更长，对外界气体的隔绝效果也更好。同时，由于环形水帘不参与热加工过程，其液流宽度也不会影响到加工精度，所以可通过适当增加环形液流宽度的方法来大幅延长有效隔绝空气的保护距离。
本发明的环形水帘设计可限制内部辅助气氛向外扩散，并与辅助气氛产生同向运动，所以可有效束缚并维持辅助气氛的稳定流动状态，延长保持紧密状态的辅助气氛长度，进而使辅助气氛内的导光水射流稳定长度也得到同时延长。
本发明的环形水帘复合下的多重水-气复合水导激光加工方法，能够更有效的带走多余的加工热量及切割残渣，因此，获得的切口热影响区将更小，切口质量更好。
本发明的多重水-气复合水导激光加工装置设计简单易于实现，但复合有益作用较多、效果明显、实用性较好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明为在导光水射流外依次同轴复合一道辅助气氛和一道环形水帘，形成以导光水射流为中心、辅助气氛、环形水帘内外三层结构的复合水导激光加工方法。
一种多重水-气复合模式下的水导激光加工装置，所述水导激光加工装置包括光-水耦合装置2、环形水射流装置3、喷嘴4和环形液体喷嘴5、辅助气氛输入气路9，
所述光-水耦合装置2与环形水射流装置3之间夹层中设有辅助气氛输入气路9，所述辅助气氛输入气路9将辅助气氛通过环形气体喷嘴6喷出形成辅助气流层8，所述光-水耦合装置2下端设置喷嘴4，所述环形水射流装置3底部设置环形液体喷嘴5，所述光水耦合装置2用于将激光束1与内部液体耦合后从喷嘴4喷出单道水射流10，所述环形水射流装置3用于将内部液体从环形液体喷嘴5喷出后形成围绕导光水射流10的环形水帘7，所述环形水帘7将辅助气流层8包覆其中。
进一步的，所述单道水射流10、辅助气流层8及环形水帘7为由内至外的同轴复合结构，即多重水-气-水模式下的内外同轴复合结构。
当激光束1入射到光-水耦合装置2内后，激光光束将汇聚于喷嘴4的入口处，并耦合进入单道水射流中10，形成导光水射流。导光水射流与辅助气流8及环形水帘7将一同喷射至待加工工件表面。
进一步的，所述环形水射流装置3连接在光水耦合装置2的下端；通过将环形水射流装置3和光水耦合装置2进行集成的安装方式，能够节约空间，并更加有利于将喷嘴4和环形液体喷嘴5设置成同轴的形式，喷嘴4下端可以设置凸缘，通过凸缘与环形液体喷嘴5的配合能够形成稳定的环形水帘7。
进一步的，所述光水耦合装置2的上方位置设置激光发射装置用于发射激光束1到光水耦合装置2内。
进一步的，所述激光束1为单能束或复合能束。本装置能够适应不同类型的激光束，通用性强。加装不同类型的激光发射装置就可以实现。
进一步的，所述光水耦合装置2和环形水射流装置3均设置高压水进口；此种设置方式可以对光水耦合装置2及环形水射流装置3内的液压进行分别控制，进而实现对导光水射流及环形水帘射流的独立调控。可以将光水耦合装置2和环形水射流装置3的高压进水口设置在同一侧，便于进行安装，高压水的管路排布也更加合理。
一种多重水-气复合模式下的水导激光加工方法，所述水导激光加工方法包括以下步骤：
步骤1：将所述水导激光加工装置内的水在压力作用下高速喷出形成单道水射流；
步骤2：同轴复合一道辅助气氛将步骤1形成的单道水射流包覆其中，并在辅助气氛外再同轴复合另外一道环形水帘，形成多重水-气-水模式下的内外同轴复合结构；
所述辅助气氛与其内部的所述单道水射流同轴同向喷出，其作用为使单道水射流保持层流特性延长射流稳定长度，并隔绝单道水射流与环形水帘的接触，使单道水射流保持完整的液-气界膜，进而使激光束可以在单道水射流中保持全反射传播。
步骤3：将高能束激光耦合进入到步骤1形成的单道水射流中形成导光水射流，并与辅助气氛及环形水帘一同喷射至待加工工件表面。
所述环形水帘将所述辅助气氛包覆其中，环形水帘不参与热加工过程，其主要作用为，隔绝外部气体流场对辅助气氛的影响，限制内部辅助气氛向外扩散，并与辅助气氛产生同向运动，降低辅助气氛在喷射中受到的环境摩擦阻力，因此，可以有效束缚并维持辅助气氛的稳定流动状态，增强辅助气氛对所述单道水射流的保护效果，进而起到进一步延长射流稳定长度的目的。
进一步的，所述步骤1的单道水射流直径在10-600μm，水压范围0-100MPa。
进一步的，所述步骤2的辅助气氛气体压强在0.1-10MPa。
通过此种设置方式的辅助气氛能够将单道水射流10包覆其中，且在述环形水帘7向单道水射流10有轻微偏移的情况下仍然能够保证好的、正常的切割效果。
进一步的，所述光-水耦合装置及环形水射流装置内的水包括纯净水或蒸馏水或符合导光要求的其它液体。
Claims (10)
1.一种多重水-气复合模式下的水导激光加工装置，其特征在于，所述水导激光加工装置包括光-水耦合装置(2)、环形水射流装置(3)、喷嘴(4)、环形液体喷嘴(5)和辅助气氛输入气路(9)，
所述光-水耦合装置(2)与环形水射流装置(3)之间夹层中设有辅助气氛输入气路(9)，所述辅助气氛输入气路(9)将辅助气氛通过环形气体喷嘴(6)喷出形成辅助气流层(8)，所述光-水耦合装置(2)下端设置喷嘴(4)，所述环形水射流装置(3)底部设置环形液体喷嘴(5)，所述光水耦合装置(2)用于将激光束(1)与内部液体耦合后从喷嘴(4)喷出单道水射流(10)，所述环形水射流装置(3)用于将内部液体从环形液体喷嘴(5)喷出后形成围绕导光水射流(10)的环形水帘(7)，所述环形水帘(7)将辅助气流层(8)包覆其中。
2.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述单道水射流(10)、辅助气流层(8)及环形水帘(7)为由内至外的同轴复合结构，即多重水-气-水模式下的内外同轴复合结构。
3.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述环形水射流装置(3)连接在光水耦合装置(2)的下端。
4.根据权利要求1所述一种多重水-气复合模式下的水导激光加工装置，其特征在于，所述光水耦合装置(2)上端设置激光发射装置用于发射激光束(1)到光水耦合装置(2)内。
5.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述激光束(1)为单能束或复合能束。
6.根据权利要求1所述的水导激光加工装置，其特征在于，所述光水耦合装置(2)和环形水射流装置(3)均设置高压水进口。
7.一种多重水-气复合模式下的水导激光加工方法，其特征在于，所述水导激光加工方法包括以下步骤：
步骤1：将如权利要求1所述的水导激光加工装置内的水在压力作用下高速喷出形成单道水射流；
步骤2：同轴复合一道辅助气氛将步骤1形成的单道水射流包裹其中，并在辅助气氛外再同轴复合另外一道环形水帘，形成多重水-气-水模式下的内外同轴复合结构；
步骤3：将高能束激光耦合进入到步骤1形成的单道水射流中形成导光水射流，并与辅助气氛及环形水帘一同喷射至待加工工件表面。
8.根据权利要求1所述的水导激光加工方法，其特征在于，所述步骤1的单道水射流直径在10-600μm，水压范围0-100MPa。
9.根据权利要求1所述的水导激光加工方法，其特征在于，所述步骤2的辅助气氛气体压强在0.1-10MPa。
10.根据权利要求1所述的水导激光加工方法，其特征在于，所述光-水耦合装置及环形水射流装置内的水包括纯净水或蒸馏水或符合导光要求的其它液体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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