一种高效耦合的水导激光加工系统及方法

1.本发明涉及水导激光耦合技术领域，具体涉及一种高效耦合的水导激光加工系统及方法。


背景技术：

2.激光加工是利用高功率密度激光束辐照在待加工件表面，通过光热效应实现材料去除。激光加工具有无刀具磨损、无切削应力、加工质量高、加工速度快以及自动化程度高等优点，在加工硬脆性等材料方面具有广泛的应用前景。目前激光加工广泛应用在工业生产、通讯、医疗、国防等各领域。
3.水导激光加工是利用光的全反射原理将激光束耦合进入微水射流中，使激光在微水束中发生全反射，通过微水束将激光引导至待加工件表面进行加工，造成材料的去除。水束可对加工区域进行有效冷却，降低加工产生的热影响区；同时，水束可冲刷加工残渣，避免形成重铸层，提高加工质量。
4.由于腔体结构和精密度的要求，水导激光的耦合喷嘴十分小，导致水束-激光耦合十分困难，一般采用人工判断或者ccd成像判断，耦合效率低下且成本高。现有水导激光耦合装置中，为了提高耦合效率，往往需要设计光路准直、扩束系统，导致装置结构复杂。同时，耦合装置中的光学窗口多采用圆柱形透镜，不利于水束-激光耦合，且圆柱形透镜体积大，导致水导激光耦合腔体体积大，重量大。


技术实现要素：

5.本发明提出一种高效耦合的水导激光加工系统及方法，可实现激光束与水束的高效耦合，采用多级式溢流结构，有利于提高水束稳定性，并具有装置结构简单的优点。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题。
7.一种高效耦合的水导激光加工系统，包括从上至下依次为光传输系统，水-光耦合系统和气液复合系统。
8.所述光传输系统由激光器、反射镜、凸透镜、自聚焦镜和光纤组成；所述反射镜在光传输通道中以45
°
的角度倾斜安装在光路转角处，可用于改变激光传播方向，使激光沿着预设路径传播；所述凸透镜位于反射镜和自聚焦镜中间，可对反射镜传输的激光束进行聚焦；所述自聚焦镜位于反射镜下端，自聚焦镜的下端（下平面端）与光纤直接粘接且中心对齐，可将激光直接耦合进入光纤。
9.所述水-光耦合系统由光纤固定腔、特种光纤（也称之为聚焦光纤）、喷嘴、喷嘴底座组成；所述光纤固定腔上表面开设两个对称注水口，注水口往下一定距离开设一环形水通道，光纤固定腔中间开设一通孔台阶，用于固定特种光纤；所述光纤固定腔可与喷嘴底座配合形成多级式溢流台阶，可消除水的脉动，有利于提高喷嘴中心喷射的水束的稳定性；所述特种光纤一端与光纤直接连接，一端可浸没在薄水层中，并与喷嘴中心保持同轴，且与喷
嘴上表面的距离很近；所述特种光纤可将激光直接聚焦在喷嘴中心上表面及其以下，有利于提高水-光耦合效率；所述喷嘴底座上端中心开设喷嘴固定槽，两侧为多级式溢流台阶，可与光纤固定腔通过螺纹的方式连接在一起，并采用o型密封圈进行密封。
10.所述气液复合系统由光纤固定腔、喷嘴底座和气流腔体组成；所述光纤固定腔两侧对称开设两个通气口，所述喷嘴底座两侧对称开设多个通孔且开设一环形通道，环形通道可与光纤固定腔中开设的两个通孔对接、连通；同时通孔可与气流腔体的盲孔前端的环形通道连通；所述气流腔体通过螺纹连接的方式与喷嘴底座连接在一起，气流腔体两侧开设多个均匀分布的盲孔（通孔数量至少为2个），所述盲孔与喷嘴底座接触处可沿着气流腔体圆周开设一环形通道，可连接喷嘴底座通孔与盲孔，使气体流场更加均匀；同时气流腔体中心开设一通孔，用于水束通过；所述中心通孔外围一定距离处开设一环形气流通道，该环形气流通道一侧与上述盲孔连接在一起，形成一个完成的气流通道，可在水束外围形成一环形水束，有利于排出加工区域形成的积水；所述环形气流通道上端开设多个均匀分布的微小孔，用于真空补偿。
11.上述方案中，将自聚焦镜和光纤组合使用，可使激光高效的耦合进入光纤；采用光纤传导激光可避免使用复杂的光路准直-扩束系统；采用特种光纤与光纤直接相连，可减少激光能量在连接处的损失；特种光纤几何尺寸小，采用特种光纤代替传统的圆柱形透镜可减小耦合腔体的体积、重量；特种光纤浸没在薄水层中可直接使聚焦的激光耦合进入喷嘴中心上表面及以下，直接实现激光束-水束的耦合，提高耦合效率，且不需要单独设置ccd成像判断耦合情况，减少耦合成本；采用多级式溢流方式可实现水束的稳定性；在水束外围施加一环形气体束可有效避免加工区域形成积水，特别是加工盲孔时的积水，有效避免积水对水束的破坏，影响激光传输。
12.一种高效耦合的水导激光加工系统及方法，包括以下步骤：s1：打开激光器发射激光，激光经过反射镜改变传播方向，然后通过凸透镜、自聚焦镜耦合进入光纤中传输，最后到达特种光纤，特种光纤对激光进行聚焦并使焦点位于喷嘴中心上表面及以下；s2：从注水口注入水流，水流依次经过注水口、环形水通道、多级式溢流台阶，最后到达喷嘴中心，然后从喷嘴中心喷射而出，形成一稳定水束；同时和激光束耦合，使激光束在水束内发生全反射，最终随着水束到达待加工件表面；s3：从通气口通入气体，气体依次经过光纤固定腔的通气口、喷嘴底座的通孔、然后进入气流腔体侧边环形通道，并进入盲孔中，最后在环形气流通道汇聚，喷射形成一环形气体束，实现气液复合。
13.本发明具备以下有益效果：1、本发明所述一种高效耦合的水导激光加工系统，采用凸透镜、自聚焦镜和光纤组成光路传输系统，可有效提高激光的耦合传输效率，并避免使用复杂的光路准直-扩束系统。
14.2、采用特种光纤对激光进行聚焦并使焦点直接聚焦在喷嘴中心上表面及以下，可实现激光与水束的高效耦合，同时由于特种光纤几何尺寸小，有利于减小耦合腔体的体积和重量。
15.3、本发明所述一种高效耦合的水导激光加工系统，采用多级式溢流台阶，可减少水流动时产生的脉动，有利于实现水束的稳定性；采用对称分布的结构在水束外围施加一
环形气体束，并在末端采用向外偏置一定角度的装置减少气体束向水束扩散，避免气体束干扰水束。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
17.图1为本技术具体实施方式高效耦合的水导激光加工系统。
18.图2为本技术具体实施方式光纤固定腔。
19.图3为本技术具体实施方式喷嘴底座。
20.图4为本技术具体实施方式喷嘴底座正等轴测图。
21.图5为本技术具体实施方式气流腔体。
22.图6为本技术具体实施方式气流腔体正等轴测图。
23.图中各附图标记说明如下:（1）光纤固定腔，（2）喷嘴底座，（3）气流腔体，（4）喷嘴，（5）特种光纤，（6）光纤保护层，（7）光纤，（8）自聚焦镜，（9）激光器，（10）反射镜，（11）连接头，（12）凸透镜，（13）激光束，（14）o型密封圈，（15）薄水层，（1.1）多级式阶梯，（1.2）环形水通道，（1.3）通孔台阶，（1.4）光纤固定台阶，（1.5）注水口，（1.6）通气口，（2.1）o型密封圈固定通道，（2.2）喷嘴固定槽，（2.3）通孔，（2.4）环形通道，（3.1）环形气流通道，（3.2）真空补偿孔，（3.3）盲孔，（3.4）水束通道，（3.5）环形通道。
具体实施方式
24.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.本实施例所述的一种高效耦合的水导激光加工系统，如图1所示，包括从上至下依次为光传输系统，水-光耦合系统和气液复合系统。
26.所述光传输系统包括（9）激光器、（10）反射镜、（12）凸透镜、（8）自聚焦镜和（7）光纤；所述（10）反射镜以45
°
倾斜安装在光路传输系统中，用于改变激光的传输方向；所述（12）凸透镜位于（10）反射镜和（8）自聚焦镜中间，（12）凸透镜可对激光进行聚焦并投射在（8）自聚焦镜表面；所述（8）自聚焦镜位于（12）凸透镜下端，（8）凸透镜下端与（7）光纤直接粘接在一起且中心对齐；所述（9）激光器发射激光经过（10）反射镜改变激光传播方向并依次通过（12）凸透镜和（8）自聚焦镜，并聚焦在（7）光纤中心表面及其以下，最终耦合进入（7）光纤。
27.进一步的，所述水-光耦合系统包括（1）光纤固定腔、（5）特种光纤（也称之为聚焦光纤）、（4）喷嘴、（2）喷嘴底座；所述（1）光纤固定腔上表面开设两个对称的（1.5）注水口，用于通水；（1.5）注水口下端一段距离开设一（1.2）环形水通道，可使水流均匀分布并向下流动；（1）光纤固定腔中心部位开设一（1.4）光纤固定台阶，用于固定（6）光纤保护层和（7）光纤；（1.4）光纤固定台阶下端开设一（1.3）通孔台阶，用于固定特种光纤；（1）光纤固定腔下端中心开设（1.1）多级式阶梯，可与喷嘴底座配合形成多级式溢流台阶，可消除水的脉动，有利于提高喷嘴中心喷射的水束的稳定性；所述（1）光纤固定腔沿圆周两侧均匀开设至少
两个（1.6）通气口。
28.进一步的，所述（5）特种光纤一端与（7）光纤直接连接，一端可浸没在（15）薄水层中，并与（4）喷嘴中心保持同心，且与（4）喷嘴上表面的距离很近；所述（5）特种光纤可将（13）激光束直接聚焦在（4）喷嘴中心上表面及其以下，有利于提高水-光耦合效率。
29.进一步的，所述（2）喷嘴底座上端中心开设（2.2）喷嘴固定槽，两侧为多级式溢流台阶，可与（1）光纤固定腔配合形成多级式溢流通道；所述（2）喷嘴底座与（1）光纤固定腔通过螺纹连接在一起，并采用（14）o型密封圈进行密封；所述（2）喷嘴底座两侧开设一（2.4）环形通道，用于均匀气流流场分布；所述（2.4）环形通道中开设沿圆周均匀分布的多个（2.3）通孔。
30.进一步的，所述气液复合系统包括（1）光纤固定腔、（2）喷嘴底座和（3）气流腔体；所述（3）气流腔体沿圆周两侧开设一（3.5）环形通道，该环形通道可与（2）喷嘴底座连通；所述（3.5）环形通道内部开设沿圆周均匀分布的多个（3.3）盲孔，（3.3）盲孔末端开设一（3.1）环形气流通道，（3.1）环形气流通道上端开设一（3.2）真空补偿孔，用于补偿（3.4）水束通道中的气体；所述（3）气流腔体上端开设一圆台，该圆台与（2）喷嘴底座有一定距离，用于（3.2）真空补偿孔的气体流通。
31.进一步的，所述（1）光纤固定腔两侧对称开设的（1.6）通气口与（2.4）环形通道连通，（2.4）环形通道通过（2.3）通孔与（3.5）环形通道连通，（3.5）环形通道通过（3.3）盲孔与（3.1）环形气流通道连通。
32.进一步的，所述（11）连接头用于连接水导激光耦合腔体和激光头。
33.一种高效耦合的水导激光加工系统及方法，耦合方法包括以下步骤：s1：打开（9）激光器发射（13）激光束，（13）激光束经过（10）反射镜改变传播方向，然后通过（12）凸透镜、（8）自聚焦镜耦合进入（7）光纤中传输，最后到达（5）特种光纤，（5）特种光纤对（13）激光束进行聚焦并使焦点位于（4）喷嘴中心上表面及以下；s2：从（1.5）注水口注入水流，水流依次经过（1.5）注水口、（1.2）环形水通道、（1.1）多级式溢流台阶，最后到达（4）喷嘴中心，然后从（4）喷嘴中心喷射而出，形成一稳定水束；同时和（13）激光束耦合，使（13）激光束在水束内发生全反射，最终随着水束到达待加工件表面；s3：从（1.6）通气口通入气体，气体依次经过（1）光纤固定腔的（1.6）通气口、（2）喷嘴底座中的（2.4）环形通道和（2.3）通孔、然后进入（3）气流腔体侧边（3.5）环形通道，并进入（3.3）盲孔中，最后在（3.1）环形气流通道汇聚，喷射形成一环形气体束，实现气液复合。
34.以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。