一种电场辅助水导激光切割装置

本发明涉及一种电场辅助水导激光切割装置，属于激光加工技术领域。

背景技术：

激光具有能量密度高、精度高的优点，可以用来加工工件。将高功率密度激光束通过透镜聚焦在待加工表面，使得工件表面温度迅速上升气化或者熔化，从而达到切割工件的目的，这就是激光切割。激光切割可以加工的材料范围非常广泛。但由于其直接将激光聚焦在工件表面，形成的切割痕迹是锥形的，如参考图2；另一方面由于加工时表面的温度很高，会带来较大的热残余应力和热变形，同时会产生高温熔渣堆积，这些都会导致加工质量下降。如果采用水导激光切割，则可以解决这些问题。

由于水和空气对激光的折射率不同，在入射角满足一定条件时激光会在水柱界面上发生全反射，所以水柱可以限制激光束的传播范围。将激光通过聚焦透镜聚焦到水射流中，水射流可以像光纤一样引导激光束到达待加工表面，加工的精度取决于射流的直径。由于射流本身是圆柱体，在加工时形成的加工面的锥度很小。同时因为水射流能在加工时及时冷却加工表面，产生的热应力和热变形会比较小。如果射流的直径减小，就可以提高切割的精度。一些专利和文献里已经详细描述了这种切割技术的原理和装置，以及传统激光切割所不具有的诸多优点，例如文献“liuy,weim,zhangt,etal.overviewonthedevelopmentandcriticalissuesofwaterjetguidedlasermachiningtechnology[j].optics&lasertechnology,2021”，专利“us8525074b2”、“cn103203545b”等。

在水导激光切割中，为了使射流在较长的距离内保持稳定，射流的速度往往较高，这导致喷嘴的磨损较大。所以喷嘴往往是由红宝石或钻石等高硬度的材料制造。另外，如果想要提升加工精度，就要减小水射流的直径。最直接的方法就是减小喷嘴的直径。但减小喷嘴的直径一方面会使喷嘴的制造成本和难度增大，另一方面也使得形成水射流所需的压力增大。

电场喷印及电场纺丝等工艺的基本原理是液体电介质在电场中发生变形并形成柱状射流，也就是所谓的“泰勒锥”。由于电场的作用，该方法产生的射流直径远小于喷嘴的直径。所以当需要产生相同直径的射流时，采用电场驱动的方式会很大程度上降低对喷嘴的要求。相关原理已经在喷印等工艺中得到了广泛的应用，相关文献也非常丰富，例如“钱垒,兰红波,赵佳伟,等.电场驱动喷射沉积3d打印[j].中国科学:技术科学,2018”。

技术实现要素：

为了解决现有的水导激光切割装置喷嘴成本高以及加工精度难以进一步提高的问题，本发明提供一种电场辅助水导激光切割装置。该装置在原有水导激光切割装置的基础上，在喷嘴和基板之间添加了电场，借助电场力而非压力的作用来形成射流。由于电场驱动形成的射流直径远小于喷嘴直径，可以在喷嘴直径较大的情况下形成较细的射流来达到提高加工精度的目的。另一方面，由于射流是通过电场力拉出喷嘴形成而非压力作用形成，射流不需要很高的速度就能在一定距离内保持稳定，喷嘴不需要使用高硬度的材料，只需要使用导电的材料，如金属制造即可。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电场辅助水导激光切割装置，包括透镜座，水腔室，气体腔室，基板，透镜，平面透镜，喷嘴，高压电源；其中透镜安装在透镜座上；水腔室上开有液体进口，液体可以由液体进口进入到液体腔中；水腔室和气体腔室相连接，平面透镜安装在水腔室中段；喷嘴安装在水腔室底部，液体腔中的液体可以在外部压力作用下从喷嘴中流出；气体腔室上开有气体进口，外部气体可以由气体进口进入到气腔中，并从气体腔室上的孔排出；喷嘴和基板均具有导电性，喷嘴和高压电源相连，基板接地。

同时在该装置中，透镜为聚焦透镜，可以将激光源产生的平行激光聚焦于焦点上，平面透镜则不会改变激光的路线，仅仅是为了在允许激光通过的同时将液体腔封住。而水腔室上半部分内壁上和透镜座外壁上均有螺纹，且可以通过旋转透镜座来调整透镜相对于水腔室的位置，将焦点调整到合适的位置，使激光大部分入射到射流中。透镜、喷嘴以及气体腔室上的孔应处于同轴位置。

有益效果

本发明通过引入电场，在水导激光切割装置的喷嘴处产生泰勒锥来降低射流直径，从而达到不减小喷嘴直径而提高加工精度的效果。同时由于不采用高压产生射流的方式，喷嘴无需选择高硬度材料，降低喷嘴的制造难度和成本。另外，由于电场驱动产生射流的原理可以应用于很多种物质，可以选择激光在其中传播能量损耗小的液体来引导激光束。

附图说明

图1是本发明电场辅助水导激光切割装置示意图。

图2是传统激光切割工作示意图。

图3是水导激光切割工作示意图。

图4是该装置正常工作时的透镜焦点位置示意图。

图5是该装置无法正常工作时的透镜焦点位置示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明电场辅助水导激光切割装置，包括透镜座1，水腔室2，气体腔室3，基板5，透镜6，平面透镜7，喷嘴8，高压电源9。其中透镜6安装在透镜座1上。水腔室2上开有液体进口2-2，液体可以由液体进口2-2进入到液体腔2-1中。水腔室2和气体腔室3相连接，平面透镜7安装在水腔室2中段。喷嘴8安装在水腔室2底部，液体腔2-1中的液体可以在外部压力作用下从喷嘴8中流出。气体腔室3上开有气体进口3-2，外部气体可以由气体进口3-2进入到气腔3-1中，并从气体腔室3上的孔排出。喷嘴8和基板5均具有导电性，喷嘴8和高压电源9相连，基板5接地并且可以移动。喷嘴8的直径可以为几微米到几百微米。

同时在该装置中，透镜6为聚焦透镜，可以将平行激光聚焦于焦点上，平面透镜7则不会改变激光的路线。而水腔室2上半部分内壁上和透镜座1外壁上均有螺纹，且可以通过旋转透镜座1来调整透镜6相对于水腔室2的位置，进而调整透镜6的焦点位置。透镜6、喷嘴8以及气体腔室3上的孔处于同轴位置。

使用该装置进行切割加工时，首先在恒定的流量下将水或其他液体从液体进口2-2送入液体腔2-1中，充满液体腔2-1并使其从喷嘴8中流出。然后打开高压电源9，将一个几千伏的高压施加到喷嘴上。此时在喷嘴8和基板5之间会形成高压静电场，液体在电场力作用下发生极化，并且内部自由电荷会聚集到液体表面。随着电荷的积累，电场力逐渐增大并将液体从喷嘴中拉出，形成射流并撞击到待切割材料4的表面上(如图3所示)。刚形成射流时射流状态并不稳定，可以通过调节高压电源到一个合适的电压值，来得到一个稳定的射流。等到射流稳定后，打开气体进口3-2，使高压气体进入气腔3-1并从其上的孔中排出。使用气体的目的是为了借助气流使射流更加稳定，同时将射流撞击到加工表面上产生的溅射液体吹开，避免对射流的流动状态产生影响。随后打开激光源使平行激光入射到透镜6上，并且经由透镜6聚焦到焦点上。观察水柱中光线，通过旋转透镜座1调整透镜6的焦点位置，并使其焦点处于参照图4中的附近位置，此时射流整体明显较亮且待加工表面上有加工痕迹。说明此时已经将焦点调整到了合适的位置，随后就可以通过移动基板5来切割待加工工件。在每一次变动了电压值或者调整了供应的流量后，都应该重新调整透镜6的焦点位置，以防止因泰勒锥形状的变化而导致的焦点位置不正确，例如参照图5中所示焦点位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。