一种多通道稳压式水导激光耦合装置

1.本实用新型涉及水导激光耦合技术领域，具体涉及一种多通道稳压式水导激光耦合装置。


背景技术：

2.水导激光加工技术是一种新型的激光加工技术；其主要应用于航空航天，微电子，生物医疗等领域精密零部件的微细划槽，打孔等微结构加工。水导激光原理类似于光纤的传播，基于激光能够在水束中发生全反射的原理，将激光的能量限制在直径为几十微米的水射流中，通过水射流引导激光进行加工。
3.采用该种加工方式，水束可快速冷却加工表面并冲刷加工残渣，极大的减小了加工的热影响区，带走加工生成的熔渣和污染物，有效提高了加工表面质量。其加工具有高加工精度、高加工速度、极小加工作用力、极小热影响区、无残余应力、无裂纹等优势。
4.形成稳定的水射流是水导激光加工技术前提条件。而水导激光加工技术主要依靠耦合装置进行水束与激光的耦合，所以耦合装置生成水束的质量和形态，将直接影响水导激光技术的加工效率和加工精度。


技术实现要素：

5.本实用新型提出了一种新型多通道稳压水导激光耦合装置，可有效稳定耦合装置腔体内部压力，使腔体内部生成稳定均匀的流场，提高水射流的稳定长度。
6.为达成上述目的，本实用新型具体技术方案为：
7.一种多通道稳压式水导激光耦合装置，该耦合装置包括外壳体、喷嘴支架、光学窗口、稳压流道、薄水层和喷嘴，外壳体与喷嘴支架相扣合密封，外壳体环形内壁与喷嘴支架外壁之间的间隙形成环形流道，外壳体侧壁开设有入水口，外壳体上表面的中心处固定光学窗口；喷嘴支架上表面中心处固定喷嘴，喷嘴与光学窗口位置相对应，喷嘴与光学窗口之间形成薄水层，喷嘴支架上表面沿喷嘴外周圈阵列设置多条稳压流道，多条稳压流道汇聚至薄水层；喷嘴内部中心轴线处开设扩口状出口，喷嘴支架内部中心轴线处开设有锥状出口，扩口状出口与锥状出口形成完整的锥状扩口结构。
8.进一步的，外壳体、喷嘴支架、光学窗口、喷嘴同轴设置。
9.进一步的，喷嘴出口的边缘呈尖端。
10.进一步的，稳压流道至少70条。
11.进一步的，光学窗口为由小圆蓝宝石与大圆蓝宝石同轴一体组成的t字状结构，小圆蓝宝石直径与喷嘴直径一致。
12.本实用新型的优点和积极效果为：
13.1、本实用新型水流道采用轴对称式结构，并采用多个通道进水的形式进入薄水腔，实现了薄水腔内高压水流量和压力均匀分布，进而解决了由于喷嘴附近水压和流量不均匀影响水射流稳定长度的问题，提高了水导激光加工的加工质量和加工效率。
14.2、本实用新型总体水流道仅由外壳体、喷嘴支架两部分结构相配合形成，外壳体与喷嘴支架由底部的螺纹紧固件进行连接，喷嘴设置在喷嘴支架上端中心阶梯通孔处，此结构组成简单，易于拆卸，容易更换喷嘴，降低了装配难度，提升了喷嘴的更换效率。
附图说明
15.图1为本实用新型一种多通道稳压式水导激光耦合装置的结构剖视图；
16.图2为本实用新型一种多通道稳压式水导激光耦合装置的整体外形示意图；
17.图3为本实用新型一种多通道稳压式水导激光耦合装置的内部结构示意图；
18.图4为本发明一种多通道稳压式水导激光耦合装置的流线仿真示意图；
19.图中标注，1-外壳体、2-喷嘴支架、3-环形流道、4-密封圈、5-紧固螺钉、6-光学窗口、7-小圆蓝宝石、8-大圆蓝宝石、9-稳压流道、10-薄水腔、11-喷嘴、12-入水口、13-扩口状出口、14-锥状出口、15-聚焦镜。
具体实施方式
20.下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
21.如图1、2所示，该耦合装置包括外壳体1、喷嘴支架2、光学窗口6、稳压流道9、薄水腔10和喷嘴11，外壳体1与喷嘴支架2相扣合密封，外壳体1底端设有4个沿圆周排布的未完全贯通的圆孔，喷嘴支架2在底端相同位置设有4个完全贯通的圆孔，两部分通过4个螺纹紧固件5进行连接。外壳体1底端与喷嘴支架2外壁间采用密封圈4进行密封。外壳体1环形内壁与喷嘴支架2外壁之间的间隙形成环形流道3，外壳体1侧壁开设有入水口12，入水口12直接与环形水流道3相连，高压水从入水口12进入环形流道3内；外壳体1上表面的中心处开设阶梯通孔，阶梯通孔处固定光学窗口6，形成激光的入射口；喷嘴支架2上表面中心处开设阶梯通孔，阶梯通孔处固定喷嘴11，喷嘴11与喷嘴支架2紧密配合，喷嘴11与光学窗口6位置相对应，喷嘴11与光学窗口6之间形成薄水腔10，如图3所示，喷嘴支架2上表面沿喷嘴11外周圈阵列设置多条稳压流道9，多条稳压流道9汇聚至薄水层10。具体为喷嘴支架2顶端开设数个均匀分布的条形凸台，凸台顶部与外壳体1腔内顶部紧密接触，形成数个稳压水流道9，稳压水流道9的设置成功的阻止了入水口近端和远端形成的分流和冲撞现象导致的薄水腔10流场不稳定的现象，同时在薄水腔10入口处形成压力差，保证喷嘴扩口状出口13处高压水流量和压力均匀分布，提高耦合装置生成水束的质量和稳定长度。为保证顶端各水流道充分起到稳压的作用，喷嘴支架2上端条状凸台数量不低于70 个，也即稳压水流道9不低于70个，所形成的稳压水流道9沿圆周均匀分布，有利于薄水层10的稳定形成。
22.外壳体1、喷嘴支架2、光学窗口6、喷嘴11同轴设置，使内部流场呈现轴对称结构，以保证内部流场的均匀性和稳定性。
23.如图1所示，喷嘴11为圆柱状结构，其内部中心轴线处开设扩口状出口13，扩口状出口13的上部为圆柱状的喷嘴孔下部为锥角状，喷嘴支架2整体呈帽状结构，喷嘴支架2内部中心轴线处开设有锥状出口14，扩口状出口13的锥角状与锥状出口14形成完整的锥状扩口结构，有效避免了形成的水束与周围结构相碰撞引起的水束不稳定现象。在保证喷嘴有足够的强度和刚度的前提下，喷嘴出口11的边缘呈尖端，尽可能锋利，这样有利于形成适用于水导激光加工的缩流型水束。激光在喷嘴11中心处的喷嘴口中心处与形成的水束进行耦
合，在水束中全反射并稳定传播，以引导激光至工件表面加工。
24.光学窗口6采用蓝宝石材料，其具有良好的承压性能，极高的硬度及透光性，光学窗口6为由小圆蓝宝石7与小圆蓝宝石8同轴一体组成的t字状结构，t字状结构使其可与外壳体1结构开设的阶梯通孔紧密配合；小圆蓝宝石7直径与喷嘴11直径一致，便于形成轴对称的圆柱形水腔的薄水层10。
25.本实用新型工作原理为：
26.本实用新型在工作时，工件放置于耦合装置下方，激光通过聚焦镜15透过光学窗口6和薄水层10聚焦于喷嘴孔中心处与水束进行耦合，而高压水从入水口12进入环形流道3内，随环形流道3内水位不断上升，高压水从四周均匀进入数个稳压水流道9，再从各个稳压水流道进入薄水腔10内，在喷嘴11出口上端形成均匀的流场，最终从喷嘴出口11射出，形成平稳的水束。基于激光可以在形成的水束内进行全反射的原理，形成稳定的水束光纤，实现对工件进行平整加工。
27.图4为本实用新型通过流体数值模拟仿真后在喷嘴出口平面的流线仿真示意图，该图清楚的显示了在喷嘴出口平面水流从四周均匀汇聚于喷嘴出口处的流线轨迹，说明了在出口平面高压水可从四周均匀进入薄水腔，有效验证了该结构在喷嘴出口平面可形成均匀且稳定的流场。