全文摘要
本实用新型公开了一种水射流辅助激光加工系统，其光束传输聚焦单元包括激光发射器和光束传输变换机构，激光发射器的前方设置45°倾斜的反光镜，设于反光镜下方的光束传输变换机构包括保护套管，保护套管的上部管孔内设有光束传输变换元件、下部管孔内设有自聚焦透镜和球透镜；其工作台单元设于保护套管下方，包括三维调节的工作台，固定台板设于工作台上的水槽内，工件装夹于固定台板上并与球透镜相对；其供液单元的泵管连通喷管，喷管的喷嘴向工件斜伸，可调节喷嘴斜伸角度的喷管设于三维及角度调节的喷管调节架上，水槽通过回流管连通供液单元。本实用新型减少了激光束在自由空间传输的光程，降低了水射流冲击溅射对光路传输的干扰。
主设计要求
1.水射流辅助激光加工系统，包括光束传输聚焦单元、工作台单元和供液单元(1)，其特征在于：所述光束传输聚焦单元包括激光发射器(2)、反光镜(3)和光束传输变换机构，所述激光发射器(2)的前方设置45°倾斜的反光镜(3)，设于反光镜(3)下方的光束传输变换机构包括保护套管(4)，所述保护套管(4)的上部管孔内设有光束传输变换元件(14)，保护套管(4)的下部管孔内设有由自聚焦透镜(5)和球透镜(6)构成的激光聚焦组件；所述工作台单元设于光束传输变换机构下方，包括能进行X\/Y\/Z向移动的工作台(7)，固定台板(9)设于工作台(7)上的水槽(10)内，工件(8)装夹于固定台板(9)上并与球透镜(6)相对而使激光聚焦点位于工件(8)表面上；所述供液单元(1)的泵管连通喷管(11)，所述喷管(11)的喷嘴(13)向工件(8)斜伸，所述喷嘴(13)中心线与保护套管(4)轴线共面，可调节喷嘴(13)斜伸角度的喷管(11)设于能进行X\/Y\/Z向移动及角度调节的喷管调节架(12)上；所述水槽(10)通过回流管连通供液单元(1)。
设计方案
1.水射流辅助激光加工系统，包括光束传输聚焦单元、工作台单元和供液单元(1)，其特征在于：
所述光束传输聚焦单元包括激光发射器(2)、反光镜(3)和光束传输变换机构，所述激光发射器(2)的前方设置45°倾斜的反光镜(3)，设于反光镜(3)下方的光束传输变换机构包括保护套管(4)，所述保护套管(4)的上部管孔内设有光束传输变换元件(14)，保护套管(4)的下部管孔内设有由自聚焦透镜(5)和球透镜(6)构成的激光聚焦组件；
所述工作台单元设于光束传输变换机构下方，包括能进行X\/Y\/Z向移动的工作台(7)，固定台板(9)设于工作台(7)上的水槽(10)内，工件(8)装夹于固定台板(9)上并与球透镜(6)相对而使激光聚焦点位于工件(8)表面上；
所述供液单元(1)的泵管连通喷管(11)，所述喷管(11)的喷嘴(13)向工件(8)斜伸，所述喷嘴(13)中心线与保护套管(4)轴线共面，可调节喷嘴(13)斜伸角度的喷管(11)设于能进行X\/Y\/Z向移动及角度调节的喷管调节架(12)上；
所述水槽(10)通过回流管连通供液单元(1)。
2.根据权利要求1所述的水射流辅助激光加工系统，其特征在于：所述光束传输变换元件(14)为倒置的单筒望远镜。
3.根据权利要求1所述的水射流辅助激光加工系统，其特征在于：所述喷嘴(13)中心线与保护套管(4)轴线之间的夹角为30°～60°。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的水射流辅助激光加工系统，其特征在于：所述喷管调节架(12)用于调节喷嘴(13)与聚焦光束及工件(8)的相对位置，喷嘴(13)出口形成水射流冲击加工工件表面，进行熔融残渣去除及冷却。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的水射流辅助激光加工系统，其特征在于：所述球透镜(6)与工件(8)表面的距离为40um～120um，所述喷嘴(13)的口径为0.1mm～0.7mm，喷嘴(13)喷出的水射流速度为10m\/s～50m\/s，喷嘴(13)的出口中心与工件(8)表面的距离为5mm～30mm，所述水射流的中心线和工件(8)表面的交点与激光聚焦于工件(8)表面上的光斑点之间的距离为0～5mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及激光加工技术，具体为一种水射流辅助激光加工系统。
背景技术
传统激光加工技术是利用激光产生的高能量密度使加工工件部位产生相变熔融、汽化来去除局部工件；然而，激光加工过程中，由于高能密度会促使加工后的工件产生热影响区、残渣、微裂纹等，严重影响加工后工件的表面质量及力学性能。
水射流辅助激光加工技术在激光照射工件、工件局部受热温度升高、局部高温的材料软化、力学强度下降的同时，利用一束液体射流冲击工件上的激光受热区，利用射流所产生的冲击力去除激光熔融过程中力学强度降低的材料而完成对工件的加工。此外，由于水射流辅助激光加工过程中，利用水射流的冷却作用，能够加快对流散热，高速射流冲击加工部位，在射流的对流冷却作用下使加工区域在短时间内迅速冷却，能够降低加工工件的热损伤。水射流辅助激光加工与传统激光加工相比具有热影响区小、微裂纹少及表面熔渣少等特点。
虽然水射流辅助激光加工技术有上述优点，但是现有的水射流辅助激光加工过程中也存在如下显著缺陷：
1、该系统在加工工件过程中，激光束聚焦采用传统的单凸透镜进行聚焦，聚焦过程中由于焦距较大，光束从透镜聚焦端面到加工工件表面暴露在自由空间的光程过长，容易造成光束聚焦过程中的非稳定性。
2、由于高速水射流冲击工件表面，射流对工件的冲击力使得射流反弹、飞溅，形成的液滴进一步破碎、雾化而形成水雾，此过程形成的液滴和水束会吸收激光的能量，还会使激光束产生偏折和散射，降低激光能量的利用率，影响工件的加工质量。
针对射流溅射的缺点，也有提出利用侧向吹气方法来降低射流溅射的影响，但由于射流作用在工件表面的冲击力较强烈，需要相匹配的辅助吹气压力，对于吹气系统压力的设计也有一定的难度；除此，一些设计中也利用防溅射装置来防止液滴溅射及雾化对光束传输的影响，但由于传统单凸透镜聚焦光路过长，光束绝大部分暴露在自由空间中，在光束聚焦射出部位阻隔溅射液滴及雾气有一定的难度。
分析现有的水射流辅助激光加工技术的特点，由于光束聚焦过程中光路过长，使光束绝大部分光束暴露在自由空间，加上水射流冲击工件表面产生的液体溅射、雾化等阻碍了光束能量传输利用率及其传输中的稳定性。
实用新型内容
针对现有水射流辅助激光技术的缺陷，本实用新型提出了一种水射流辅助激光加工系统，以消除现有技术的阻碍而使水射流辅助激光技术更好的应用及发展。
本实用新型水射流辅助激光加工系统，其技术方案包括光束传输聚焦单元、工作台单元和供液单元，所不同的是：
1、所述光束传输聚焦单元包括激光发射器、反光镜和光束传输变换机构，所述激光发射器的前方设置45°倾斜的反光镜，设于反光镜下方的光束传输变换机构包括保护套管，所述保护套管的上部管孔内设有光束传输变换元件，保护套管的下部管孔内设有由自聚焦透镜和球透镜构成的激光聚焦组件。
2、所述工作台单元设于光束传输变换机构下方，包括能进行X\/Y\/Z向移动(三维调节)的工作台，固定台板设于工作台上的水槽内，工件装夹于固定台板上并与球透镜相对而使激光聚焦点位于工件表面上。
3、所述供液单元的泵管连通喷管，所述喷管的喷嘴向工件斜伸，所述喷嘴中心线与保护套管轴线共面，可调节喷嘴斜伸角度的喷管设于能进行X\/Y\/Z向移动(三维调节)及角度调节的喷管调节架上。
4、所述水槽通过回流管连通供液单元。
所述光束传输变换元件可采用倒置的单筒望远镜。
所述喷嘴中心线与保护套管轴线之间的夹角选择在30°～60°之间。
所述喷管调节架用于调节喷嘴与聚焦光束及工件的相对位置，喷嘴出口形成水射流冲击加工工件表面，进行熔融残渣去除及冷却。
加工的优选参数为：
所述球透镜与工件表面的距离选择为40um～120um，所述喷嘴的口径选择为0.1mm～0.7mm，喷嘴喷出的水射流速度选择为10m\/s～50m\/s，喷嘴的出口中心与工件表面的距离选择为5mm～30mm，所述水射流的中心线和工件表面的交点与激光聚焦于工件表面上的光斑点之间的距离选择为0～5mm。
本实用新型的有益效果：
本实用新型水射流辅助激光加工系统中，激光发射器产生的激光在保护套管内通过光束传输变换元件和自聚焦透镜及球透镜进行传输聚焦，减少了光束在空气的自由空间传输的光程，通过球透镜聚焦后，一方面减少了水射流冲击使液体溅射对光路传输的干扰，使光束传输更稳定，提高了激光束的能量利用率；另一方面，通过光束传输变换及自聚焦透镜的传输能够改变光束的质量，进而改善激光加工的质量；此外，借助球透镜聚焦激光束，其下曲面端点能够对激光加工过程中所产生的表面熔渣进行清除，并借助水射流的冲击冷却作用进行加工工件中残渣的进一步去除及工件的冷却，能够改善加工工件的质量。
附图说明
图1为本实用新型一种实施方式的结构示意图。
图2为图1中A处的放大图。
图号标识：1、供液单元；2、激光发射器；3、反光镜；4、保护套管；5、自聚焦透镜；6、球透镜；7、工作台；8、工件；9、固定台板；10、水槽；11、喷管；12、喷管调节架；13、喷嘴；14、光束传输变换元件；15、控制器；16、填充件。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本实用新型的技术方案作进一步说明。
本实用新型水射流辅助激光加工系统，包括光束传输聚焦单元、工作台单元和供液单元1。
所述光束传输聚焦单元包括激光发射器2、反光镜3和光束传输变换机构，由控制器15操控的激光发射器2的左前方设置有45°倾斜的反光镜3(反光镜3的镜面朝向激光发射器2)，所述光束传输变换机构设于反光镜3的下方，包括固定设置的竖直状保护套管4，所述保护套管4的上部大管孔内同轴设有光束传输变换元件14(倒置的单筒望远镜)，保护套管4的下部同轴小管孔内设有由自聚焦透镜5(上位)和球透镜6(下位)构成的激光聚焦组件，所述球透镜6露出在小管孔外并由填充件16固定位置，如图1、图2所示。
所述工作台单元设于光束传输变换机构即球透镜6的下方，包括能进行X\/Y\/Z向移动的工作台7，所述工作台7上设有带回流管的水槽10，所述水槽10内架设有固定台板9，所述固定台板9上装夹有工件8，所述工件8与球透镜6正对，调节工作台7的高度使激光聚焦点位于工件8表面上，工作台12于水平面上的移动实现与加工路径的跟随，如图1、图2所示。
所述供液单元1包括设于工作台7右侧下方的水箱，水箱上方即光束传输变换机构的右侧设有能进行X\/Y\/Z向移动及角度调节的喷管调节架12，所述喷管调节架12上安装有喷管11，所述喷管11左下端的锥形喷嘴13(与喷管11同轴)斜伸至工件8的上方，所述喷嘴13喷射的水射流中心线与保护套管4的轴线同面且两者之间的夹角B可在30°～60°之间调节，喷管11的右上端通过泵管连通水箱出水口，所述回流管(其上设置有过滤网)连通水箱进水口，如图1、图2所示。
上述结构中，激光发射器2产生的激光束在通过反射镜3反射后为竖直方向，反射的激光束先经过光束传输变换元件14变换，再经过自聚焦透镜5进行初步的聚焦传输，然后通过球透镜6进行激光束的聚焦，聚焦光斑落点在工件8表面上。
一种实施方案的加工参数选择范围为：
所述球透镜6与工件8表面的距离H2设为40um～120um(即为球透镜6的后焦距BFL)，所述喷嘴13的口径设为0.1mm～0.7mm，喷嘴13喷出的水射流速度设为10m\/s～50m\/s，喷嘴13的出口中心与工件8表面的距离H1设为5mm～30mm，所述水射流的中心线和工件8表面的交点与激光聚焦于工件8表面上的光斑点之间的距离W设为0～5mm，如图2所示。
所述球透镜6的后焦距BFL(40um～120um)决定了球透镜6直径及材料的选择，BFL的计算公式为设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920033033.4
申请日:2019-01-09
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:45(广西)
授权编号:CN209363853U
授权时间:20190910
主分类号:B23K 26/04
专利分类号:B23K26/04;B23K26/046;B23K26/70
范畴分类:25E;
申请人:桂林电子科技大学
第一申请人:桂林电子科技大学
申请人地址:541004 广西壮族自治区桂林市七星区金鸡路1号
发明人:龙芋宏;黄宇星;杨林帆;赵要武;焦辉;周嘉;刘清原;梁恩;赵钰涣;单晨
第一发明人:龙芋宏
当前权利人:桂林电子科技大学
代理人:黄玮
代理机构:45107
代理机构编号:桂林市持衡专利商标事务所有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计