专利名称：用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置。
背景技术：
激光微加工由于加工效率高、切割残渣少、非接触加工、易实现加工过程的自动化等特点，因而成为薄壁管材加工的主要方法。薄壁管材的激光切割是由相互重叠的激光脉冲点在管材上沿切割线移动，同时输入高压氧辅助熔化切割。激光聚焦点处材料熔融气化，熔渣被气体吹出，在金属管壁上形成切割轨迹。熔融气体和熔渣起初向外发射，但是最后，大部分的蒸汽都变成了碎屑，散布在烧蚀图样表面四周和刻槽内。碎屑的形成破坏了零件的外观和性能。它也降低了烧蚀效率，由于前一次留下来的碎屑可能挡住下一次扫描时激光光束传播的路径。
在激光切割大管径的管材时，小区域过热带来的影响不大。但是，很多应用中需要切割微小管径的管材，(管径一般小于5mm)在激光加工过程中会快速产生热量，零件的热扩散会产生热损伤，无论是热影响区、融化区域、重铸，还是渣滓，都改变了微结构。零件热影响区域危害了零件的完整性，进而明显降低了加工产量。
一般激光微加工工艺有干切和湿切两种工艺，干切工艺是将辅助气体吹在激光与材质作用区域，用于去除切口的碎渣并冷却激光作用区。湿切通常在小零件切割中有优势，因为小的金属零件在切割过程中会快速产生热量，湿切在保持热影响区温度最小方面具有重要作用，尤其是因为特扩散导致的温度增加，湿切能帮助维持工件中最佳的热管理。同时由于熔化及凝结后的材料仍残留在切口及切割表面。为了消除它们，有限气压的辅助气流通常在激光束附近被生成。
但是，这一气流并不十分有效，因为仅有一小部分的气体穿透进入切口。除了切口附近的碎屑，还有熔化颗粒以及蒸发材料在表面的沉积。而引入高压水到切割点，在工件表面会产生一层很薄的水膜。落在薄膜上的颗粒很快冷却并无法粘结在工件的表面。导水方式的具体实现:相比于干切工艺，湿切工艺多了导水环节，需要向切割点位置导入冷却水。
CN202006338U公开一种高功率激光切割机和导光系统，其包括水冷聚焦镜内筒、水冷聚焦镜外套，水冷聚焦镜内筒、水冷聚焦镜外套之间通有冷却水，聚集镜及其保护片安装在水冷聚焦镜内筒中，所述水冷聚焦镜内筒的激光输出端安装有纵向截面呈两端小、中间大的双锥形吹气套，在吹气套的上锥部外侧表面上设置有进气接头。
CN1827282公开了一种用于CO2数控激光切割机的数控激光切割头及其制造方法。数控激光切割头包括水冷组件，所述水冷组件的上、下部分均是整体式环形冷却水道结构，其环形冷却水槽是一次性机械加工成型的；采用以上技术使数控激光切割头在使用时气压与光能量的损耗小、聚焦效果好、密封性好、被切割的板材厚度更大、板材利用率高，并具有闻强度、闻耐压性和闻导热性。
现有技术中并没有报道采用同轴进入冷却水的激光切割机，也没有报道采用同轴入射的水流减少热影响区，降低热应力以抑制工件表面裂纹产生的技术。发明内容
本发明所要解决的技术问题是激光加工微小管径管材的过程中，产生的热量对零件造成热损伤，碎屑不易清除，加工的工件使用寿命低的问题，提供一种用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，采用该装置加工微小管径的薄壁管材，具有热损伤小，碎屑易清除，加工的工件使用寿命长的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:一种用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，呈中空圆柱形，上端有光电传感器安装座3，光电传感器I和光电传感器调焦旋钮2设在光电传感器安装座3的上面，光电传感器安装座3下面，同轴水射流装置内部设有45°反射镜4，与45°反射镜4对应的圆柱体侧壁上，设有照明光源5，照明光源5的下面设有激光发生器6，45°反射镜4下面设有聚焦镜7，聚焦镜7对应的圆柱体侧壁上设有聚焦镜调焦微分头8，聚焦镜7的下面设有保护镜9，保护镜9的下面为具有双层结构的喷嘴11，水射流12从喷嘴11双层结构间通过，喷嘴11通过侧壁上的进水口 13和高压供水单元10连接。
上述技术方案中，优选的技术方案同轴水射流装置还包括工作台15，上面放置待加工工件14，待加工工件14位于喷嘴11下方。优选的技术方案激光发生器6为光纤激光发生器。优选的技术方案喷嘴11呈圆环形，水射流12呈柱状。聚焦镜调焦微分头8用于水平或垂直调节聚焦镜7。
本发明采用最先进的光纤激光器，获得足够高的峰值功率。高压水供给单元。用于提供高压水。采用圆形的喷嘴，水射流基本上呈柱状。保护镜9在加工过程中避免熔融飞溅的碎屑和水流对聚焦镜和激光发生器的影响。
本发明提出的适用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置的原理为:在激光加工过程中引入与激光束同轴的冷却水辅助切割，采用将激光束聚焦后在水柱维持稳定的范围内，将工件浸于其中对待加工的工件进行加工，使得激光能量积累和传导产生的热量被水带走，可以避免激光在对薄壁管材切割时的热损伤及灼热。同轴入射的水流可以有效减少热影响区，降低热应力以抑制工件表面裂纹产生。同时在工件加工过程中引入同轴水射流可以提高材料的断裂强度能够更好的保障后续的加工以及器件的使用寿命。同时激光的高温使水温上升，产生的气泡和加热液体的活动有助于熔渣的排出，提高加工质量。水流的冲刷使大多数熔化的材料被水射流带走，只有少部分碎屑留下来。在工件表面会产生一层很薄的水膜，落在薄膜上的颗粒很快冷却并无法粘结在工件的表面。高压水射流可以代替辅助高压气体，对工件进行冷却和带走加工过程中产生的熔渣和碎屑。
本发明提出的用于薄壁微小管径管材湿切加工的同轴水射流装置，在水柱维持稳定的范围内，对待加工的产品进行加工，使得激光能量积累和传导产生的热量被水带走，可以避免激光在对薄壁管材切割时的热损伤及灼热，同时清除切割过程中产生的碎屑。因为水射流非常细，其作用力在工件上是微乎其微的，对水的消耗也很少，由于不产生任何热损伤，能够比干式激光更好地加工多种类型的材料。相比于辅助高压气体的高成本，加工过程中的高消耗，水可以就地取材，损耗少，成本低，加工过程中的蒸发物或熔渣基本都被水流带走，是一种绿色加工技术，保护了环境，取得了较好的技术效果。。
图1为用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置， 图1中，I为光电传感器；2为光电传感器调焦旋钮，3为光电传感器安装座，4为45°反射镜，5为照明光源，6为激光发生器，7为聚焦镜，8为聚焦镜调焦微分头，9为保护镜，10为高压供水单元，11为喷嘴，12为水射流，13为进水口，14为待加工工件，15为工作台。
照明光源5发射的照明光和光纤激光器6发射的激光同时入射到45°反射镜4，45°反射镜4对激光全反，并对照明光45度增透，光束垂直入射到聚焦镜7上，通过控制聚焦镜7与加工平台15之间的距离可以调整加工平面聚焦光斑的能量分布，透过聚焦镜7聚焦后的激光，通过保护镜9后打到加工平台15上的加工工件14表面。从高压水供给单元10引入高压水流，使在加工过程中工件浸于高压水射流12形成的水射流中。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施例
实施例1
一种用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，如图1所示，呈中空圆柱形，上端有光电传感器安装座3，光电传感器I和光电传感器调焦旋钮2设在光电传感器安装座3的上面，光电传感器安装座3下面，同轴水射流装置内部设有45°反射镜4，与45°反射镜4对应的圆柱体侧壁上，设有照明光源5，照明光源5的下面设有激光发生器6，45°反射镜4下面设有聚焦镜7，聚焦镜7对应的圆柱体侧壁上设有聚焦镜调焦微分头8，聚焦镜7的下面设有保护镜9，保护镜9的下面为具有双层结构的喷嘴11，水射流12从喷嘴11双层结构间通过，喷嘴11通过侧壁上的进水口 13和高压供水单元10连接。同轴水射流装置还包括工作台15，上面放置待加工工件14，待加工工件14位于 喷嘴11下方。激光发生器6为光纤激光发生器，喷嘴11呈圆环形，水射流12呈柱状。
采用该实施例的激光切割机的同轴水射流装置，用于激光加工微小管径管材的过程中引入高压水快速冷却，防止管材的过度灼烧，使得激光能量积累和传导产生的热量被水带走，可以避免激光在对薄壁管材切割时的热损伤及灼热，同时清除切割过程中产生的碎屑，减少切割过程中的污染。
权利要求
1.一种用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，呈中空圆柱形，上端有光电传感器安装座(3 )，光电传感器(I)和光电传感器调焦旋钮(2 )设在光电传感器安装座(3 )的上面，光电传感器安装座(3)下面，同轴水射流装置内部设有45°反射镜(4)， 与45°反射镜(4)对应的圆柱体侧壁上，设有照明光源(5)，照明光源(5)的下面设有激光发生器(6)，45°反射镜(4)下面设有聚焦镜(7)，聚焦镜(7)对应的圆柱体侧壁上设有聚焦镜调焦微分头(8)，聚焦镜(7)的下面设有保护镜(9)，保护镜(9)的下面为具有双层结构的喷嘴(11)，水射流(12 )从喷嘴(11)双层结构间通过，喷嘴(11)通过侧壁上的进水口( 13 )和高压供水单元(10)连接。
2.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，其特征在于同轴水射流装置还包括工作台(15)，上面放置待加工工件(14)，待加工工件(14)位于喷嘴(11)下方。
3.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，其特征在于激光发生器(6)为光纤激光发生器。
4.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，其特征在于喷嘴(11)呈圆环形，水射流 (12)呈柱状。
5.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，其特征在于聚焦镜调焦微分头(8)用于水平或垂直调节聚焦镜(J)。
全文摘要
本发明涉及一种用于薄壁管材激光微加工的同轴水射流装置，主要解决现有技术中激光切割小尺寸零件时过度灼热和冷却碎屑大量沉积在加工零件表面，影响加工质量的问题，本发明通过采用一种同轴水射流装置，呈中空圆柱形，内部设有450反射镜，圆柱体侧壁上设有照明光源，照明光源的下面设有激光发生器，反射镜下面设有聚焦镜，水射流从喷嘴双层结构间通过，喷嘴通过侧壁上的进水口和高压供水单元连接的技术方案，较好地解决了该问题，可用于薄壁管材激光微加工的工业生产中。
文档编号B23K26/36GK103212819SQ20121001585
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者魏志凌, 宁军, 夏发平, 马秀云 申请人:昆山思拓机器有限公司