一种用于水导激光的稳定水束生成设备及方法

本发明属于水导激光加工相关，更具体地，涉及一种用于水导激光的稳定水束生成设备及方法。

背景技术：

1、为了满足某些高精尖领域的精密零件加工要求，水导激光加工技术应运而生。水导激光加工技术是一种使用微水束引导激光进行加工的新型加工技术。它的原理是将激光束射入一个加压水腔，在喷嘴口处聚焦，从而在出射水束中完成全反射，利用耦合后形成的“水束光纤”进行加工的技术。相比于传统激光加工，其优势在于被加工工件热影响区小，且加工切口无锥度。

2、然而，实现水导激光加工技术需要关注一些关键科学技术问题：稳定流场及稳定水束光纤的生成与控制。激光束与水束想要顺利耦合成水束光纤，首先要满足水束稳定准直的前提条件。如果水束存在波动、发散或者破碎等现象，即使激光束满足了入射角度要求，也会从水束中逸散出来，无法发生全反射，形成水束光纤。因此，只有稳定的水束才能满足水与激光高效耦合的要求。

3、水导激光加工技术使用的水束光纤直径非常小，通常只有30μm-200μm，如果只是简单地通过水泵加压，使水流从腔体中出射，很难达到稳定准直的要求。面对如此现状，除了要在高压供液系统中添加蓄能器、溢流阀等稳压器件，也要设计水腔结构使腔体内流场均匀稳定，以此保证出射的水束稳定准直。目前已有的水腔结构设计中，有的采取了多入口设计，有的设计了复杂的流道以减少单入口设计造成的水腔内流场不均衡的问题。但是上述两种解决方案也存在一定的局限性：多入口设计需要额外搭建新的供液通道，并且难以保证每个入口的液体流量、压强一致；而复杂流道的设计会使腔体加工难度提高，增加制造成本。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于水导激光的稳定水束生成设备及方法，其通过结构设计使水流从入水口进入水腔后不直接与喷嘴出口接触，而是要先形成溢流层才能到达出口，在这个过程中流场趋于均衡稳定，当水流出射时不再因为流场问题而受到影响。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于水导激光的稳定水束生成设备，所述设备包括加压水腔，所述加压水腔包括下基体、喷嘴片及连接于所述下基体一端的喷嘴底座，所述喷嘴底座的一端开设有出水口，所述喷嘴片设置在所述喷嘴底座的另一端内；所述下基体的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽，所述第二凹槽的底面开设有连通孔，所述连通孔贯穿所述第一凹槽的底面；所述喷嘴底座部分的收容在所述第二凹槽及所述连通孔内，且该部分与所述第二凹槽及所述连通孔均间隔设置；所述喷嘴片位于所述连通孔内，其与所述第一凹槽及所述出水口均相连通；所述下基体的一侧还开设有入水口，所述入水口与所述第二凹槽相连通。

3、进一步地，所述加压水腔还包括连接于所述下基体的上基体，所述上基体开设有第一螺纹孔；所述加压水腔还包括光学窗口、光学腔、第一橡胶垫片及第二橡胶垫片，所述第二橡胶垫片设置在所述第一凹槽的底面上，所述光学窗口设置在所述第二橡胶垫片上，所述第一橡胶垫片设置在所述光学窗口上，所述光学腔螺纹连接于所述第一螺纹孔，且其与所述第一橡胶垫片相接触。

4、进一步地，所述喷嘴底座呈阶梯状，其包括底板、设置在所述底板上的第一凸起及设置在所述第一凸起上的第二凸起，所述喷嘴底座的一端开设有第一阶梯孔，另一端开设有收容槽，所述第一阶梯孔的底面开设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述收容槽的底面，所述收容槽用于收容所述喷嘴片，所述喷嘴片与所述收容槽之间形成过盈配合。

5、进一步地，所述第一阶梯孔与所述连通孔组成所述出水口。

6、进一步地，所述第一阶梯孔贯穿所述底板及所述第一凸起，且部分的位于所述第二凸起；所述收容槽位于所述第二凸起内；所述光学窗口与所述第二凸起间隔设置。

7、进一步地，所述入水口的一端与所述第二凹槽相连通，另一端的内壁上形成有内螺纹。

8、进一步地，所述下基体与所述喷嘴底座之间设置有第一密封圈。

9、进一步地，所述设备还包括溢流阀、依次相连接的水箱、柱塞泵、过滤装置、单向阀、压力表、蓄能器及与所述加压水腔相连接的截止阀，所述溢流阀的一侧与所述过滤装置与所述柱塞泵之间的管路相连接，另一端连接于水箱；所述水箱还通过一个截止阀连接于所述柱塞泵与所述过滤装置之间的管路。

10、进一步地，所述过滤装置选择过滤精度达到5μm的部件。

11、本发明还提供了一种用于水导激光的稳定水束生成方法，所述方法采用如上所述的用于水导激光的稳定水束生成设备进行稳定水束的生成。

12、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于水导激光的稳定水束生成设备及方法主要具有以下有益效果：

13、1.加压水腔使得水流从入水口进入水腔后不直接与喷嘴出口接触，而是要先形成溢流层才能到达出水口，在这个过程中流场趋于均衡稳定，当水流出射时不再因为流场问题而受到影响。

14、2.本发明设计了一套从水箱开始到加压水腔的用于产生和保持稳定水压的、低脉冲液压通路，在保证流场均衡的基础上精简了结构，降低了加工难度和制造成本。

15、3.所述加压水腔的结构紧凑，体积较小，适用性较强。

技术特征：

1.一种用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：

2.如权利要求1所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述加压水腔还包括连接于所述下基体的上基体，所述上基体开设有第一螺纹孔；所述加压水腔还包括光学窗口、光学腔、第一橡胶垫片及第二橡胶垫片，所述第二橡胶垫片设置在所述第一凹槽的底面上，所述光学窗口设置在所述第二橡胶垫片上，所述第一橡胶垫片设置在所述光学窗口上，所述光学腔螺纹连接于所述第一螺纹孔，且其与所述第一橡胶垫片相接触。

3.如权利要求2所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述喷嘴底座呈阶梯状，其包括底板、设置在所述底板上的第一凸起及设置在所述第一凸起上的第二凸起，所述喷嘴底座的一端开设有第一阶梯孔，另一端开设有收容槽，所述第一阶梯孔的底面开设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述收容槽的底面，所述收容槽用于收容所述喷嘴片，所述喷嘴片与所述收容槽之间形成过盈配合。

4.如权利要求3所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述第一阶梯孔与所述连通孔组成所述出水口。

5.如权利要求3所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述第一阶梯孔贯穿所述底板及所述第一凸起，且部分的位于所述第二凸起；所述收容槽位于所述第二凸起内；所述光学窗口与所述第二凸起间隔设置。

6.如权利要求1所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述入水口的一端与所述第二凹槽相连通，另一端的内壁上形成有内螺纹。

7.如权利要求6所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述下基体与所述喷嘴底座之间设置有第一密封圈。

8.如权利要求1-7任一项所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于：所述设备还包括溢流阀、依次相连接的水箱、柱塞泵、过滤装置、单向阀、压力表、蓄能器及与所述加压水腔相连接的截止阀，所述溢流阀的一侧与所述过滤装置与所述柱塞泵之间的管路相连接，另一端连接于水箱；所述水箱还通过一个截止阀连接于所述柱塞泵与所述过滤装置之间的管路。

9.如权利要求8所述的用于水导激光的稳定水束生成设备，其特征在于，其特征在于：所述过滤装置选择过滤精度达到5μm的部件。

10.一种用于水导激光的稳定水束生成方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1-9任一项所述的用于水导激光的稳定水束生成设备进行稳定水束的生成。

技术总结
本发明属于水导激光加工相关技术领域，其公开了一种用于水导激光的稳定水束生成设备及方法，设备包括加压水腔，加压水腔包括下基体、喷嘴片及连接于下基体一端的喷嘴底座，喷嘴底座的一端开设有出水口，喷嘴片设置在喷嘴底座的另一端内；下基体的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽，第二凹槽的底面开设有连通孔，连通孔贯穿第一凹槽的底面；喷嘴底座部分的收容在第二凹槽及连通孔内，且该部分与第二凹槽及连通孔均间隔设置；喷嘴片位于连通孔内，其与第一凹槽及出水口均相连通；下基体的一侧还开设有入水口，入水口与第二凹槽相连通。加压水腔使得水流从入水口进入水腔后要先形成溢流层才能到达出水口，在这个过程中流场趋于均衡稳定。

技术研发人员：史铁林,张晓斌,龙胡
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14