水导激光加工装置及系统的制作方法

本申请涉及一种水导激光加工装置及系统，属于激光加工技术领域。

背景技术：

水导激光加工技术是一种微细水射流引导激光进行加工的技术，由于激光在水中与空气中的折射率不同，使水中传播的激光在水束与空气的界面上发生全反射而被限制在水束内，水束起导光纤维的作用。

现阶段，专利cn108262556a中公开了一种大功率耦合水导激光加工装置，该装置包括液体腔室，窗口透镜，液体腔室包括聚焦透镜、支撑结构及液体缩流传导装置，液体缩流传导装置的内壁涂有全反射图层，利用全反射涂层及旋转水导激光的方法，提高了激光耦合功率，并且进一步拓展了激光加工的深度能力。专利cn108581224a中公开了一种旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，该装置包括：支撑部和缩流传导装置，支撑部内通有与激光耦合的液体；缩流传导装置设置于支撑部的下方并与支撑部相连通；其中，缩流传导装置内设有液体腔室和封装气体层；封装气体层设置于液体腔室外；液体腔室的横截面直径沿激光的传输方向逐渐减小，并形成传导端，传导端的主轴与激光主光轴成锐角倾斜；缩流传导装置绕激光主光轴自转，该专利中旋转激光加工的方式改善加工深度。

然而，现有技术中的水导激光加工装置，由于液体和激光进行耦合时，耦合功率还是比较低且激光的全反射效率也比较低，使得激光的输出功率较低，因此激光的加工深度还是不能满足一些场合的需求。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种水导激光加工装置，该装置提高了激光的全反射效率和激光与液体之间的耦合功率，从而得到了大功率耦合激光，提高了该激光的加工深度，可使加工深度达到10mm以上。

所述水导激光加工装置，包括：框架结构、激光传输管道以及层流组件；

所述框架结构由上至下依次包括聚焦腔室、液体腔室和气体腔室；

所述激光传输管道沿激光的传播方向固定在所述液体腔室内，所述激光传输管道的下端固定有窗口滤镜；

所述液体腔室设置有液体入口；

所述激光传输管道与所述液体腔室形成的第一环形空间内固定有所述层流组件以使进入所述液体腔室中的液体沿激光的传播方向形成稳定的层流从而对由所述激光传输管道射出的激光形成包覆。

可选地，所述层流组件包括至少一个环状过滤网，所述液体腔室的上部沿其周向设有多个液体入口，所述环状过滤网位于所述多个液体入口的下方。

可选地，所述层流组件包括第一环状过滤网、第二环状过滤网以及蓄能构件，所述第二环状过滤网位于所述第一环状过滤网的下方，所述第一环状过滤网和第二环状过滤网之间夹设有所述蓄能构件；

优选地，所述蓄能构件为海绵体。

可选地，所述层流组件还包括第三环状过滤网以及导流构件，所述第三环状过滤网位于所述第二环状过滤网的下方，且所述第二环状过滤网和第三环状过滤网之间夹设有导流构件；

优选地，所述导流构件为多根导流管。

可选地，安装在所述聚焦腔室内的聚焦透镜可沿所述激光的传播方向滑动。

可选地，所述液体腔室的底端形成第一缩口，所述第一缩口位于所述窗口透镜的下方；所述气体腔室的底端形成第二缩口，所述第二缩口位于所述第一缩口的下方。

本领域技术人员可以根据实际生产需要选择合适的液体腔室内径与第一缩口内径的比值，本申请不做严格地限定。优选地，所述液体腔室的内径与第一缩口的内径的比值大于10：1。

可选地，所述气体腔室与所述第一缩口形成的第二环形空间内固定有气体过滤装置，所述气体腔室的上部沿其周向设有多个气体入口，所述气体过滤装置位于所述多个气体入口的下方。

可选地，所述液体腔室中的液体为水，所述气体腔室内的气体为氮气。

根据本申请的另一方面，还提供了一种水导激光加工系统，包括：电控系统、激光器、光学元件、液体传输单元、气体传输单元以及上述任一项所述的水导激光加工装置；

所述电控系统分别与所述激光器、气体传输单元和液体传输单元连接用于控制所述激光器、气体传输单元和液体传输单元；

所述光学元件位于所述激光器与水导激光加工装置之间用于将所述激光器产生的激光导入所述水导激光加工装置中；

所述液体传输单元与所述水导激光加工装置中的液体腔室连接用于将液体导入液体腔室中；

所述气体传输单元与所述水导激光加工装置中的气体腔室连接用于将气体导入气体腔室中。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的水导激光加工装置，通过在激光传输管道与液体腔室形成的第一环形空间内固定层流组件，从而使得进入液体腔室中的液体形成稳定的层流，层流液体包裹在激光束的周围形成液束以使激光在该液束中传播，稳定的层流液束提高了激光的全反射效率。

2)本申请所提供的水导激光加工装置，由于液体具有稳定的层流特性，因此改善了系统的稳定性，减少了光散射带来的破坏与损伤，提高了光液耦合功率。

3)本申请所提供的水导激光加工装置，由于具有较高的全反射效率和光液耦合功率，因此可以输出大功率耦合激光，即该激光在微米尺度下可达到千瓦级功率，加工深度达到10mm以上。

4)本申请所提供的水导激光加工装置，技术成本低。

附图说明

图1为本实施例提供的水导激光加工装置的结构示意图；

图2为本实施例提供的水导激光加工装置中的水导激光传导示意图；

图3为本实施例提供的水导激光加工系统的结构框图。

部件和附图标记列表：

100框架结构；101聚焦腔室；1011聚焦透镜；

102液体腔室；1021第一缩口；1022液体入口；

103气体腔室；1031第二缩口；1032气体入口；

1033气体过滤装置；200激光传输管道；201窗口透镜；

301环状过滤网；3011第一环状过滤网；

3012第二环状过滤网；3013第三环状过滤网；

302蓄能构件；303导流构件；

11电控系统；12激光器；13光学元件；

14液体传输单元；15气体传输单元；

16水导激光加工装置；17工件。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

本申请提供了一种水导激光加工装置，包括：框架结构100、激光传输管道200以及层流组件；框架结构100自上而下依次包括聚焦腔室101、液体腔室102和气体腔室103；激光传输管道200沿激光的传播方向固定在液体腔室102内，激光传输管道200的下端固定有窗口滤镜201；液体腔室102设置有液体入口1022；激光传输管道200与液体腔室102形成的第一环形空间内固定有层流组件以使进入液体腔室102中的液体形成稳定的层流从而对由激光传输管道200射出的激光形成包覆。

具体的，框架结构100的上段形成聚焦腔室101，框架结构100的中段形成液体腔室102，框架结构100的下段形成气体腔室103。气体腔室103中的气体用于对由液体腔室102流出的液体形成包覆以使激光在该液体中传播。

本申请提供的水导激光加工装置，通过在激光传输管道与液体腔室形成的第一环形空间内固定有层流组件，从而实现了进入液体腔室中的液体形成稳定的层流，层流液体包裹在激光束的周围形成液束以使激光在该液束中传播，稳定的层流液束提高了激光的全反射效率和光液耦合功率，从而获得大功率的输出激光，提高了激光的加工深度。

可选地，层流组件包括至少一个环状过滤网301，液体腔室102的上部沿其周向设有多个液体入口1022，环状过滤网301位于多个液体入口1022的下方。

具体地，环状过滤网301的内周壁套设并抵顶在激光传输管道200的外壁上，环状过滤网301的外周壁抵顶在液体腔室102的内腔壁上，以使由液体入口1022进入的液体通过环状过滤网301流入液体腔室102中。环状过滤网301改善了流体的均匀性，有利于流体形成稳定的层流。液体入口1022沿液体腔室102的上部周壁均匀设置。环状过滤网301可以为1个，或者也可以为2个，当然，还可以为3个，多个环状过滤网301之间沿激光的传播方向均匀设置在激光传输管道200的外壁上，对液体腔室102中的液体多层次逐级改善流动效果。

可选地，层流组件包括第一环状过滤网3011、第二环状过滤网3012和蓄能构件302，第二环状过滤网3012位于第一环状过滤网3011的下方，第一环状过滤网3011和第二环状过滤网3012之间夹设有蓄能构件302。优选地，蓄能构件302为海绵体。

具体地，在第一环状过滤网3011和第二环状过滤网3012与液体腔室102的腔壁所形成的空间中全部填充海绵体。海绵体具体蓄能效果，对进入液体腔室102中的流体产生储蓄，从而有利于流体形成稳定的层流。

可选地，层流组件还包括第三环状过滤网3013、导流构件303，第三环状过滤网3013位于第二环状过滤网3012的下方，且第二环状过滤网3012和第三环状过滤网3013之间夹设有导流构件303。

优选地，导流构件303为多根导流管303。

在一个具体的示例中，导流构件303为多根导流管303。多根导流管303安装在第二环状过滤网3012和第三环状过滤网3013与液体腔室102的腔壁所形成的空间中，导流管303的上端抵顶在第二环状过滤网3012上，导流管303的下端抵顶在第三环状过滤网3013上，以使液体沿导流管303的流动方向与激光的传播方向一致，也就是说使流体在激光的传播方向上形成稳定的层流。

导流管303可以为金属管、或者为塑料管，或者为陶瓷管，或者还以为玻璃管，管壁为光滑状，有利于形成液体形成层流。优选地，导流管303为玻璃管。导流管303可以为实心管，或者也可以为空心管。当导流管303为空心管时，流体可以从管心流出，或者从管与管之间流出。

在另一个具体的示例中，导流构件303为多个片状导流栅。具体地，在第二环状过滤网3012和第三环状过滤网3013之间夹设有多个片状导流栅。多个片状导流栅沿激光传输管道200的外周壁均匀分布，并且每个导流栅位于激光传输管道200的径向延伸方向上，形成星射线状，片状导流栅的内端抵顶在激光传输管道200的外壁上，片状导流栅的外端抵顶在液体腔室102的内壁上，片状导流栅的上端抵顶在第二环状过滤网3012上，片状导流栅的下端抵顶在第三环状过滤网3013上。

可选地，安装在聚焦腔室101内的聚焦透镜1011可沿激光的传播方向滑动。

具体地，聚焦透镜1011可沿所述激光的传播方向滑动，以调节激光的聚焦位置，优选地，聚焦位置为液体腔室102的出液口所在位置。并且还可以调节激光在液气层进行全反射时的入射角，以提高全反射效率。

可选地，液体腔室102的底端形成第一缩口1021，第一缩口1021位于窗口透镜201的下方；气体腔室103的底端形成第二缩口1031，第二缩口1031位于第一缩口1021的下方。

具体地，第一缩口1021为向液体腔室102内凹的弧面缩口，如图1所示，该第一缩口1021的直径沿激光的传播方向逐渐缩小。第一缩口1021有利于使得经过层流组件处理后的液体继续保持层流的状态，以实现激光在液气层实现全反射，并且也有利于激光与流体形成高效的耦合，减少由于激光散射而带来的破坏与损伤。

第二缩口1031为向气体腔室103内凹的弧面缩口，如图1所示，该第二缩口1031的直径沿激光的传播方向逐渐缩小。在气体腔室103中注有气体，该气体与液体形成激光实现全反射的必要条件。第二缩口1031实现了气体对从第一缩口1021中流出的裹有激光液柱的压缩效果，如图2所示，将液柱的直径进一步地缩小以提高激光的输出功率。气体腔室103中的气体可以为高压气体以实现更好的压缩效果。

在本申请中，液体腔室102的内径最好远远大于第一缩口1021的内径，对实现液体形成稳定的层流至关重要。第一缩口1021的出液处的内径最好大于第二缩口1031的出液处的内直径。第一缩口1021和第二缩口1031的内径均为毫米级别。

可选地，液体腔室102的内径与第一缩口1021的内径的比值大于10：1。

可选地，气体腔室103与第一缩口1021形成的第二环形空间内固定有气体过滤装置1033，气体腔室103的上部沿其周向设有多个气体入口1032，气体过滤装置1033位于多个气体入口1032的下方。

具体地，气体过滤装置1033可以为过滤网，或者也可以为过滤栅。气体过滤装置1033可以改善气体的均匀性。多个气体入口1032可以沿气体腔室103的周壁均匀设置。

可选地，液体腔室102中的液体为水，气体腔室103内的气体为氮气。

本申请还提供了一种水导激光加工系统，包括：电控系统11、激光器12、光学元件13、液体传输单元14、气体传输单元15以及上述所述的水导激光加工装置16；

电控系统11分别与激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14连接用于控制所述激光器12、气体传输单元15和液体传输单元14的运行；

光学元件13位于激光器12与水导激光加工装置16之间用于将激光器12产生的激光导入水导激光加工装置16中；

液体传输单元14与水导激光加工装置16中的液体腔室102连接用于将液体导入液体腔室102中；

气体传输单元15与水导激光加工装置16中的气体腔室103连接用于将气体导入气体腔室103中。

实施例1

图1为本实施例提供的水导激光加工装置的结构示意图，图2为本实施例提供的水导激光加工装置中的水导激光传导示意图，下面结合图1和图2具体对本实施例进行说明。

如图1所示，本实施例提供的导激光加工装置包括聚焦腔室101、液体腔室102以及气体腔室103，聚焦透镜1011滑动地安装在聚焦腔室101内。

激光传输管道200安装在液体腔室102的中心位置，激光传输管道200的上端固定在聚焦腔室101的底壁上，激光传输管道200的下端安装有窗口透镜201，且窗口透镜201与第一缩口1021之间具有一定的距离。层流组件包括第一环状过滤网3011、第二环状过滤网3012、第三环状过滤网3013、海绵体以及多根导流管，海绵体位于第一环状过滤网3011与第二环状过滤网3012之间，多根导流管位于第二环状过滤网3012与第三环状过滤网301之间。第一环状过滤网3011上方的液体腔室102的腔壁上均匀分布有多个液体入口1022。

气体腔室103内设有气体过滤装置1033，气体过滤装置1033位于第一缩口1021与气体腔室103所形成的第二环形空间中。气体过滤装置1033为环状，且套设在一缩口1021的外周壁上。气体过滤装置1033的上方的气体腔室103的腔壁上均匀分布有多个气体入口1032。

在本实施例中，激光沿聚焦腔室、液体腔室、气体腔室依次传播。激光进入聚焦腔室时，聚焦腔室中的聚焦透镜对其产生聚焦效果，利用聚焦透镜调整激光进行全反射时的入射角，以提高激光的全反射效率。激光由聚焦腔室进入位于液体腔室中的激光传输管道，穿过窗口透镜进入液体腔室中，液体腔室中的层流液体对其进行包覆，然后由液体腔室进入气体腔室内，气体腔室中的气体对上述的层流液体进行包覆，以使激光在液气层流界面发生全反射。

如图2所示，激光光线在液气层流界面发生全反射；

为保证激光在液气界面的全反射效应，应满足如下条件：

其中θ1为激光与液气层流界面的入射角，θ2为折射角，n1、n2分别为光与水、氮气的折射率。假定θ2为90°，即激光在液气层流界面发生全反射，此时，计算得θ1即为激光与液气层流界面发生全反射的最小入射角，只要满足激光与液气层流界面入射角不小于θ1，那么激光就能在液气层流界面发生全反射。利用液气层流界面的全反射效应，装置将激光光线传输至加工工件400表面进行材料去除加工。

实施例2

图3为本实施例提供的水导激光加工系统的结构框图，下面结合图3随本实施例进行具体说明。

本实施例中的水导激光加工系统包括电控系统11，电控系统11分别与激光器12、液体传输单元14和气体传输单元15电连接。激光器12中产生的激光通过光学元件13进入水导激光加工装置16的聚焦腔室101中，通过聚焦透镜1011对该激光产生聚焦。该激光再依次经过激光传输管道200传输、窗口透镜201处理、液体腔室102的层流液体包覆、气体腔室103的缩流压缩处理、液气层流界面全反射效应等到达工件表现，对材料进行深度加工。

液体传输单元14与液体腔室102连通，对液体腔室102注入水。

气体传输单元15与气体腔室103连通，对气体腔室103注入氮气。

以上所述，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。