水导激光加工装置和加工系统的制作方法

本申请涉及一种水导激光加工装置和加工系统，属于激光加工技术领域。

背景技术：

随着医疗、航空、航天、半导体领域的快速发展，对于关键零部件的性能要求越来越高，这促进了零件加工方法和设备的改进和提高。在零部件切割加工领域，传统的切割加工方法主要为机械切割加工和高压水切割加工。但是上述加工方式存在加工效率低、加工精度低的问题。为解决上述问题，本领域的技术人员研发了激光切割加工装置，其在加工效率、加工精度和环境保护方面均优于传统切割加工方法。但激光切割加工会使材料产生一定程度的热损伤，为解决对材料的热损伤问题，水导激光加工装置应运而生。

水导激光加工装置是以水射流引导激光束对待加工工件进行切割的复合加工技术。由于水和空气的折射率不同，在激光束以一定角度照射在水与空气交界面时，如果入射角小于全反射临界角，激光会发生全反射而不会透射出去，这就使激光能量始终被限制在水束中从而使激光沿水束的方向进行传播。

现有技术中的水导激光加工装置，可以实现5mm内薄板的高质量切割加工，但随着加工深度的增加，水导激光也存在一定的加工锥度效应。主要原因在于，光线在水柱径向截面内的分布符合高斯分布规律，即光线在水柱轴线附近功率密度较大，在靠近水柱表面位置功率密度较小。这使得靠近水柱轴线位置材料去除能量较强，而靠近水柱表面位置材料去除能量很弱，从而限制了水导激光切割工件的厚度。

技术实现要素：

本申请的目的在于，提供一种水导激光加工装置和加工系统，以解决现有技术中，水柱内激光功率密度分布不均的技术问题。

本发明的水导激光加工装置，包括台状反射镜和耦合水腔；

所述台状反射镜和所述耦合水腔沿激光的传输方向依次同轴设置；

所述台状反射镜，用于将激光的中心光束经过全反射导光后输入至所述耦合水腔；

所述耦合水腔，用于将经过全反射导光后的激光沿所述耦合水腔出射的水柱传输，利用水柱中的激光切割工件。

优选地，所述台状反射镜包括位于台状反射镜轴线上的第一全反射面及位于台状反射镜侧面的第二全反射面；

所述第一全反射面，用于将激光的中心光束全反射至所述第二全反射面；

所述第二全反射面，用于对所述第一全反射面反射的激光进行二次全反射，经由所述第二全反射面出射的激光转变为边缘光束后射入所述耦合水腔。

优选地，所述台状反射镜的轴线上开设锥形孔，所述锥形孔沿所述台状反射镜的下底面至上底面方向开设，所述锥形孔的侧面涂覆全反射涂层形成所述第一全反射面；

所述台状反射镜的上底面接收所述激光，所述台状反射镜的侧面涂覆全反射涂层形成所述第二全反射面。

优选地，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述台状反射镜和所述耦合水腔之间；

所述聚焦透镜，用于将经过全反射导光后的激光聚焦后射入所述耦合水腔。

优选地，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜和所述台状反射镜沿激光的传输方向依次同轴设置；

所述聚焦透镜，用于将激光聚焦后射入所述台状反射镜。

优选地，所述耦合水腔包括腔体、窗口透镜和出水口；

所述窗口透镜设置于所述腔体的外壁上，用于接收经过全反射导光后的激光，所述窗口透镜的激光接收面为平面，所述窗口透镜的激光出射面为凸面；

所述出水口设置于所述聚焦透镜的焦点处，经由所述出水口的水柱引导激光切割工件。

优选地，还包括气体腔室；

所述气体腔室开设水气出口，所述水气出口与所述耦合水腔的出水口同轴设置。

优选地，所述水气出口沿所述气体腔室的外壁向外延伸，所述水气出口与所述气体腔室的外壁圆弧连接。

本发明还公开了一种水导激光加工系统，包括控制装置、激光发生器、流体供给装置和上述水导激光加工装置；

所述控制装置，用于控制激光发生器、流体供给装置的开启与关闭；

所述激光发生器，用于产生激光，产生的激光输入至所述水导激光加工装置中；

所述流体供给装置，用于产生高压流体，产生的高压流体输入至所述水导激光加工装置中；

所述水导激光加工装置，利用激光发生器产生的激光切割工件；

优选地，还包括气体供给装置，所述气体供给装置，用于产生高压气体，产生的高压气体输入至所述水导激光加工装置中。

优选地，还包括移动装置和反馈传感器；

所述移动装置，用于根据所述控制装置的控制信息调整所述工件的位置，实现精确切割；

所述反馈传感器，用于将采集的工件实时位置信息传输至所述控制装置，所述控制装置根据接收的工件实时位置信息向所述移动装置发送控制信息。

本发明的水导激光加工装置和加工系统，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明的水导激光加工装置，利用台状反射镜实现将激光的中心光束转变为边缘光束，使最终从耦合水腔出射的激光功率分布更加均匀，改善了水导激光切割工件时的锥度效应，拓展了深度加工能力，对航空航天及民用领域材料高精度加工具有重要意义。

本申请中，如要实现水柱中激光的能量调节，可以通过控制台状反射镜的直径、锥形孔的锥角和台状反射镜的侧面倾斜角度进行调节，将激光的圆形光束转变为圆环状光束，实现对激光光束能量分布的调节。

本申请设置了聚焦透镜，采用两种方式设置，一种为将聚焦透镜设置于台状反射镜和耦合水腔之间，另一种为将聚焦透镜设置于台状反射镜的入射光侧，两种方式都可实现激光光束的聚焦。

本申请将耦合水腔内的窗口透镜的激光出射面设置为凸面，其凸面可以为圆弧凸面或者圆台状凸面，目的是防止耦合水腔内微气泡在窗口透镜的激光出射面位置粘附或者停留，影响激光传输。

为避免切割过程中溅射对水柱的影响，本申请还设置了气体腔室，在气体的保护与压缩效应下，实现水流的稳定与保持，本申请通过气体辅助的方式改善了层流质量。

本申请为增加气流流动的稳定性，设置水气出口沿气体腔室的外壁向外延伸，同时设置水气出口与气体腔室的腔体的外壁圆弧连接。

本申请的水导激光加工系统，利用了上述水导激光加工装置，能够减小加工锥度，实现深度切割，有效减小热累积效应，进而提高加工效率，具有操作简单，成本低廉、高效可靠等优点。

本申请的水导激光加工系统，设置了反馈传感器，可以实时采集工件的位置信息，从而确定切割的精度，保证精确切割。

附图说明

图1为本发明中水导激光加工装置的结构示意图；

图2为本发明中水导激光加工装置中水柱内的激光的功率密度径向截面示意图；

图3为本发明中水导激光加工装置的水柱表面1/2半径区域内的激光功率分布图；

图4为本发明中水导激光加工装置的水柱内部1/2半径区域内的激光功率分布图；

图5为本发明中水导激光加工系统的结构示意图。

部件和附图标记列表：

1、激光；2、台状反射镜；3、耦合水腔；3-1、腔体；3-2、窗口透镜；3-3、出水口；3-4、入水口；4、框架；5、水柱；6、锥形孔；7、聚光透镜；8、气体腔室；8-1、水气出口、8-2、进气口、9、工件；10、控制装置；11、激光器；12、光学元件；13、流体供给装置；14、气体供给装置；15、水导激光加工装置；16、移动装置；17、反馈传感器。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

图1为本发明的水导激光加工装置的结构示意图。

本发明的水导激光加工装置，包括台状反射镜2和耦合水腔3；台状反射镜和耦合水腔沿激光的传输方向依次同轴设置。其中，台状反射镜2可为圆台状，也可为多棱(≥3)的棱台状，用于将激光1的中心光束经过全反射导光后输入至耦合水腔，具体为将激光1的中心光束通过全反射转变为边缘光束，连同激光1原本的边缘光束共同输入至耦合水腔3；其中耦合水腔3，用于将经过全反射导光后的激光沿耦合水腔3出射的水柱5传输，利用水柱5中的激光切割工件9；本发明改善了水导激光切割工件9时的锥度效应，拓展了深度切割能力。

为保证本申请的水导激光加工装置的稳定性，本申请设置了框架4；将台状反射镜2和耦合水腔3固定设置于框架4内。

本申请中的台状反射镜2，包括位于台状反射镜2轴线上的第一全反射面及位于台状反射镜2侧面的第二全反射面；第一全反射面，用于将激光的中心光束全反射至第二全反射面；第二全反射面，用于对第一全反射面反射的激光进行二次全反射，经由第二全反射面出射的激光转变为边缘光束后射入耦合水腔3。

为在台状反射镜2上构建第一全反射面和第二全反射面，本申请以两者结构的台状反射镜进行说明。一种结构为圆台状反射镜，一种结构为棱台状反射镜。当为圆台状反射镜时，在圆台状反射镜的轴线上开设锥形孔6，锥形孔6沿圆台状反射镜的下底面至上底面方向开设，即锥形孔6的锥尖靠近圆台状反射镜的激光入射面。为实现锥形孔6的全反射功能，在锥形孔6的侧面涂覆全反射涂层形成第一全反射面；同时，本申请的圆台状反射镜的上底面接收激光，圆台状反射镜的侧面涂覆全反射涂层形成第二全反射面。当为棱台状反射镜时，在棱台状反射镜的轴线上开设棱锥形孔，棱锥形孔沿棱台状反射镜的下底面至上底面方向开设，即棱锥形孔的锥尖靠近棱台状反射镜的激光入射面。为实现棱锥形孔的全反射功能，在棱锥形孔的侧面涂覆全反射涂层形成第一全反射面；同时，本申请的棱台状反射镜的上底面接收激光，棱台状反射镜的侧面涂覆全反射涂层形成第二全反射面。该种结构可以保证激光1的中心光束经由第一全面反射面反射向第二全反射面，从而转变为边缘光束。

使用过程中，如要实现水柱5中激光的边缘功率密度和中心功率密度的调节，可以通过控制台状反射镜2的直径、锥形孔6的锥角和台状反射镜2的侧面倾斜角度进行调节，将激光的圆形光束转变为圆环状光束。

本申请还设置了聚焦透镜7，聚焦透镜7可以采用两种方式设置，一种为将聚焦透镜7设置于台状反射镜2和耦合水腔3之间；该设置中的聚焦透镜7，用于将经过全反射导光后的激光聚焦后射入耦合水腔3。聚焦透镜7的另一种设置方式为将聚焦透镜7和台状反射镜2沿激光1的传输方向依次设置；此时，聚焦透镜7是用于将激光1聚焦后射入台状反射镜2。聚焦透镜7与框架可以通过微调镜座连接，也可以直接与框架固定连接，本申请所使用的微调镜座使用现有的镜座即可，只要保证聚焦透镜7可以三维调节(轴向为z向、径向垂直设有x、y方向)实现聚焦透镜7的三维小量移动。使用聚焦透镜7可以保证激光在耦合水腔3内聚焦。

本申请中的耦合水腔3包括腔体3-1、窗口透镜3-2、出水口3-3和设置于耦合水腔3侧壁的入水口3-4；窗口透镜3-2设置于腔体3-1的外壁上，使经过全反射导光后的激光可以通过窗口透镜3-2进入至腔体3-1内部。窗口透镜3-2的激光接收面为平面，窗口透镜3-2的激光出射面为凸面；凸面可以为圆弧状凸面或者圆台状凸面，目的是防止耦合水腔3内微气泡在窗口透镜3-2的激光出射面位置粘附或者停留，影响激光传输。出水口3-3设置于聚焦透镜7的的焦点处，经由出水口3-3的水柱5引导激光切割工件9。本申请的耦合水腔3，经由入水口3-4向耦合水腔3内提供高压水。高压水可为普通饮用水或者超纯水。

为避免切割过程中溅射对水柱5的影响，本申请还设置了气体腔室8，气体腔室8开设水气出口8-1，水气出口8-1与耦合水腔3的出水口3-3同轴设置，使得丛出水口3-3流出的水柱5直接从水气出口8-1流出，不会改变水柱5的传输方向。气体腔室8的侧壁设置了进气口8-2。本申请气体腔室8内的气体为氦气、氮气或者氩气。在气体的保护与压缩效应下，实现水流的稳定与保持，本申请通过气体辅助的方式改善了层流质量。

为增加气流流动的稳定性，本申请设置水气出口8-1沿气体腔室8的外壁向外延伸，水气出口8-1与气体腔室的外壁圆弧连接。水气出口8-1的口径大于等于出水口3-3的口径。优选为水气出口8-1的口径等于出水口3-3的口径。

为验证本申请水导激光加工装置的输出水柱5中的激光密度，本申请获取水柱5内的激光的功率密度径向截面，见图2。图2中横坐标的中心点为水柱5的径向圆心，纵坐标为功率密度，a为水柱5内的理想激光功率密度分布线，b为现有水导激光加工装置的水柱5内的激光功率密度分布线，c为本申请水导激光加工装置的水柱5内的激光功率密度分布线。由图2可以看出，未设台状反射镜2的现有水导激光加工装置中，其水柱5中的激光功率密度主要集中于径向圆心处，而本申请的水导激光加工装置中，水柱5的激光功率密度分布相对来说更加均匀。为进一步验证本申请加工装置的有效性，本申请利用zemax光学仿真软件，构建了仿真分析模型，使用圆台状反射镜进行了激光光束在水柱5中的分布情况仿真。其中，圆台状反射镜的上底面直径10mm，下底面直径20mm，锥形孔的锥角为90°，外侧面的锥角为90°，锥形孔的底面直径为10mm。锥角的定义为：锥形孔的轴截面(经过锥形孔的轴的截面)的两条母线之间的角，同样，圆台状反射镜的侧面向上延伸，也可以得到其锥角，即为外侧面的锥角。使用探测器探测水柱5中的激光，本申请将激光的能量平均分配给1000条光线，激光光线在水柱表面经过多次全反射后到达探测器，同轴设置了1/2直径和全水柱直径两个探测器，探测器接到的是一根根带有能量的光线，内部1/2半径指的是内部的功率，剩下的功率就在外部1/2里面。仿真结果见图3和图4，图3为水柱5外部1/2半径区域内的激光功率，图4为水柱5内部1/2半径区域内的激光功率。图3和图4的仿真结果显示，使用台状反射镜，可以使水柱5外部1/2半径区域内的激光功率较大幅度提升，约提升15-30％，起到了改善激光光束高斯分布特点的目的。

图5为本发明的水导激光加工系统的结构示意图。

本发明公开的一种水导激光加工系统，包括控制装置10、激光发生器、流体供给装置13和上述水导激光加工装置15；其中控制装置10，用于控制激光发生器和流体供给装置13的开启与关闭；激光发生器，用于产生激光1，产生的激光1输入至水导激光加工装置15中；其中，激光发生器由激光器11和光学元件12组成，激光器11产生激光，光学元件12对激光器11产生的激光进行传导，传导至水导激光加工装置15中；流体供给装置13，用于产生高压流体，产生的高压流体输入至水导激光加工装置15中；水导激光加工装置15，用于利用激光发生器产生的激光切割工件9。优选的，本申请的水导激光加工系统还包括气体供给装置14，气体供给装置14用于产生高压气体，产生的高压气体输入至水导激光加工装置15中。本申请的水导激光加工系统，利用了上述水导激光加工装置15，能够实现深度切割，同时技术成本低，技术难度相对较小。

为保证精确切割，本申请的加工系统还包括移动装置16和反馈传感器17；其中移动装置16，用于根据控制装置10的控制信息调整工件9的位置，实现精确切割；反馈传感器17用于将采集的工件9实时位置信息传输至控制装置10，控制装置10根据接收的工件9实时位置信息向移动装置16发送控制信息。本申请的水导激光加工系统，设置了反馈传感器17，可以实时采集工件9的位置信息，从而确定切割的精度，保证精确切割。

本申请的水导激光加工系统的工作过程为：

步骤1、控制装置10控制激光发生器开启，产生激光1，激光1入射至水导激光加工装置15中；其中激光发生器包括激光器11和光学元件12，激光器11产生激光，光学元件12实现激光光束的传导，将其传导至水导激光加工装置15中；

步骤2、激光1进入水导激光加工装置15后，经水导激光加工装置15中台状反射镜2的全反射导光作用及聚焦透镜7的聚焦作用(或者经聚焦透镜7的聚焦作用后，再进行台状反射镜2的全反射导光作用)，圆形光束处理为圆环状光束，实现光束能量分布的调节；

步骤3、经聚焦/能量分布调节后的激光，通过耦合水腔3上的窗口透镜3-2进入腔体3-1内部；

步骤4、控制装置10控制流体供给装置13开启，将超纯水通过入水口3-4引入腔体3-1内部；同时控制装置10控制气体供给装置14开启，将气体引入气体腔室8；

步骤5、水柱5经耦合水腔3下端面出水口3-3流出，并在气体腔室8内气体的保护与压缩效应下，由气体腔室8下端面水气出口8-1排出；

步骤6、激光经水柱5全反射传导，到达工件9表面，完成材料的切割加工；

步骤7、反馈传感器17采集工件9的实时位置信息并传输至控制装置10，控制装置10根据接收的工件9实时位置信息，判断工件9的切割状态及切割位置，如工件9与预设的位置有偏差，则控制装置10向移动装置16发送控制信息，移动装置16按照接收到的信息调整工件9的位置，实现精确切割。

本申请的水导激光加工系统，利用了上述水导激光加工装置，能够减小加工锥度，实现深度切割，有效减小热累积效应，进而提高加工效率，具有操作简单，成本低廉、高效可靠等优点。同时，本申请设置了反馈传感器，可以实时采集工件的位置信息，从而确定切割的精度，保证精确切割。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。