一种气流体约束水射流发生装置的制作方法

本实用新型涉及激光加工领域，具体地说是一种气流体约束水射流发生装置。

背景技术：

随着精密和超精密加工技术的不断发展，激光与其它加工技术的复合逐渐成为加工制造领域的主流技术。水、激光耦合加工技术是一项新型的复合加工技术，其利用水和空气光学特征的传播差异，使激光束在水柱中进行全反射，不会分离出来，从而引导激光束在水束中进行折线传播，形成水束光纤，进而对工件进行加工。

在水、激光耦合加工过程中，激光束与水射流的耦合效果直接决定了加工效果，而水射流的稳定是实现激光束与水束成功耦合的重要前提。水射流的不稳定会导致加工距离缩短、切缝宽度增加等问题，影响加工质量。高速流动的水射流会引起边缘流体的雾化，最终会使水光纤出现破碎，直至成液滴状，被引导的激光将会从射流中发散出来，导致加工失效。

现有技术中的水、激光耦合加工方法，由于激光束在水射流中耦合，高压水射流与环境气体直接接触，较大的速度差缩短了水射流的破碎长度，使得激光束较快地发散出来，激光能量的利用率较低，因此现有的加工工作距离还是不能满足一些场合的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种气流体约束水射流发生装置，利用气流体约束水射流，能够有效减少水射流表层的空气密度，降低了水射流边缘与空气之间的卷吸作用，且气相流体对水光纤施加径向的约束力，提高了水射流的稳定性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种气流体约束水射流发生装置，包括聚焦透镜、座体、激光窗和水喷嘴，聚焦透镜设于座体的激光入射侧，激光窗和水喷嘴沿着激光传输方向依次设于所述座体中，且所述激光窗和水喷嘴之间的座体内设有高压水腔，在水喷嘴远离激光窗一侧的座体内设有贯通的气腔，且所述气腔靠近所述水喷嘴的一端设有进气道，激光光束经聚焦透镜聚焦射入座体中且焦点位于水喷嘴处，高压水腔内的高压水经所述水喷嘴后形成水射流，且聚焦后的激光光束与所述水射流耦合形成高压水光纤。

所述高压水腔设有用于输入高压水的入水口。

所述气腔靠近所述水喷嘴的一端沿着圆周方向均布有多个进气道。

所述水喷嘴以宝石体为载体。

所述气腔的出口截面为圆形、正方形或长方形。

本实用新型的优点与积极效果为：

本实用新型利用气流体约束水射流，在加工过程中气相流体能减小高压水射流与周围环境气体的速度差，且有效减少水射流表层的空气密度，降低了水射流边缘与空气之间的卷吸作用，且气相流体对水光纤施加径向的约束力，水射流经气相流约束后流束得到细化，雾化效果得到弱化，从而提高了水射流的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中，1为激光光束，2为聚焦透镜，3为激光窗，4为高压水腔，5为水喷嘴，6为气腔，7为高压水光纤，8为进气道。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1所示，本实用新型包括聚焦透镜2、座体、激光窗3和水喷嘴5，聚焦透镜2设于座体的激光入射侧，激光窗3和水喷嘴5沿着激光传输方向依次设于所述座体中，且所述激光窗3和水喷嘴5之间的座体内设有高压水腔4，所述高压水腔4设有入水口用于输入高压水，在水喷嘴5远离激光窗3一侧的座体内设有贯通的气腔6，且高压水腔4内的高压水经所述水喷嘴5后形成水射流引导激光光束1形成高压水光纤7进入气腔6中，所述气腔6靠近所述水喷嘴5的一端设有进气道8，气体经由进气道8进入气腔6中并对所述高压水光纤7进行包覆，以使激光光束1在液气层流界面发生全反射。

所述气腔6的出口截面可为圆形、正方形或长方形，所述气腔6内的气体可为氩气、氢气、二氧化碳等气体，所述气流体压力值为5mpa～100mpa，所述高压水的压力取值为20mpa～100mpa，所述水喷嘴5直径为50～200μm。

本实施例中，所述激光窗3为平面耐压玻璃制成，所述水喷嘴5以宝石体为载体，所述高压水腔4内的水喷嘴5直径为100μm，水压为20mpa，另外所述进气道8沿着气腔6端部的圆周方向均匀分布，以保证气体从各个方向均匀吹入气腔6中，本实施例中，气流体从10个沿着圆周方向均匀分布的进气道8进入气腔6中，气腔6内的气体为氢气，工作压力为5mpa。

本实用新型的工作原理为：

如图1所示，本实用新型工作时，外部光源发出的激光光束1经聚焦透镜2后透过激光窗3射入座体内，且所述激光光束1的焦点位于所述座体内的水喷嘴5入口端，高压水腔4内的高压水经所述水喷嘴5形成水射流喷出射入座体内的气腔6中，且聚焦后的激光光束1与水射流耦合形成高压水光纤7，而气体经由进气道8进入所述气腔6中，气相流体能减小高压水射流与周围环境气体的速度差，并且有效减少水射流表层的空气密度，降低了水射流边缘与空气之间的卷吸作用，另外气相流体可对高压水光纤7施加径向的约束力，水射流经气相流约束后流束得到细化，雾化效果得到弱化，从而提高了水射流的稳定性，高压水光纤7穿过气腔6后作用于工件上进行加工。

技术特征：

1.一种气流体约束水射流发生装置，其特征在于：包括聚焦透镜(2)、座体、激光窗(3)和水喷嘴(5)，聚焦透镜(2)设于座体的激光入射侧，激光窗(3)和水喷嘴(5)沿着激光传输方向依次设于所述座体中，且所述激光窗(3)和水喷嘴(5)之间的座体内设有高压水腔(4)，在水喷嘴(5)远离激光窗(3)一侧的座体内设有贯通的气腔(6)，且所述气腔(6)靠近所述水喷嘴(5)的一端设有进气道(8)，激光光束(1)经聚焦透镜(2)聚焦射入座体中且焦点位于水喷嘴(5)处，高压水腔(4)内的高压水经所述水喷嘴(5)后形成水射流，且聚焦后的激光光束(1)与所述水射流耦合形成高压水光纤(7)。

2.根据权利要求1所述的气流体约束水射流发生装置，其特征在于：所述高压水腔(4)设有用于输入高压水的入水口。

3.根据权利要求1所述的气流体约束水射流发生装置，其特征在于：所述气腔(6)靠近所述水喷嘴(5)的一端沿着圆周方向均布有多个进气道(8)。

4.根据权利要求1所述的气流体约束水射流发生装置，其特征在于：所述水喷嘴(5)以宝石体为载体。

5.根据权利要求1所述的气流体约束水射流发生装置，其特征在于：所述气腔(6)的出口截面为圆形、正方形或长方形。

技术总结
本实用新型涉及激光加工领域，具体地说是一种气流体约束水射流发生装置，包括聚焦透镜、座体、激光窗和水喷嘴，聚焦透镜设于座体的激光入射侧，激光窗和水喷嘴沿着激光传输方向依次设于所述座体中，且所述激光窗和水喷嘴之间的座体内设有高压水腔，在所述水喷嘴远离激光窗一侧的座体内设有贯通的气腔，且所述气腔靠近所述水喷嘴的一端设有进气道，激光光束经聚焦透镜聚焦射入座体中且焦点位于水喷嘴处。本实用新型利用气流体约束水射流，能够有效减少水射流表层的空气密度，降低了水射流边缘与空气之间的卷吸作用，且气相流体对水光纤施加径向的约束力，提高了水射流的稳定性。

技术研发人员：乔红超;曹治赫;赵吉宾;张旖诺;于永飞
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2020.06.30
技术公布日：2021.01.05